1700927530
1700927531
观察CMB辐射相当于时间上回头看可能不是那么显然，但天文学家观测一颗遥远恒星时其实做的是同样的事情。如果一颗恒星距离我们100光年，那么它的光就将要100年才能到达我们这里，所以我们只能看到的这颗恒星是它100年前的状态。同样，如果CMB辐射是在数十亿年前被释放出来的，并用了数十亿年才到达我们这里，那么当天文学家最终发现它时，他们实际看到的便是数十亿年以前的宇宙，那时它只有30万岁。
1700927532
1700927533
如果在宇宙史上此时发生了密度变化，那么它们应该在我们今天看到的CMB辐射上留下印迹。这是因为如果宇宙有些地方的密度稍高于平均密度——一个鼓包——那么在这个地方CMB辐射就会有明显的效应。从这个区域放出的辐射在逃脱鼓包的高于平均密度的额外引力时就会经历一个稍大的挣扎。因此，鼓包处的CMB辐射会失去一些能量，因此它的波长稍长。
1700927534
1700927535
这样，通过检查来自宇宙不同方向的CMB辐射，天文学家希望检测到其波长稍有不同。来自波长稍长方向的辐射将表明，它来自古宇宙那些密度稍大的地方，而来自波长略短的不同方向的辐射将表明它源自古宇宙那些密度略小的地方。如果天文学家能从CMB辐射中找到这些波长变化，那么他们将能够证明，在宇宙早期确实存在密度涨落，它们就是形成星系的种子。这样，大爆炸模型将变得更加引人注目。
1700927536
1700927537
彭齐亚斯和威尔逊已经证明，存在CMB辐射而且它有大致正确的波长，但现在天文学家们开始要更精确地来测量它，以便表明来自宇宙某一部分的辐射的波长确实不同于其他部分所发出辐射的波长。不幸的是，CMB辐射看起来似乎处处一样。它应该是大致一致的，因为早期宇宙在空间每一点上是非常相似的，但测量显示，来自各个方向的辐射不只是相似，而是完全相同。波长上没有一丁点增加或减少的迹象。
1700927538
1700927539
稳恒态理论家抓住这个否定结果作为大爆炸模型的危险征兆，因为今天的CMB辐射的波长观测不到变化意味着在早期宇宙中不存在密度变化，这意味着我们今天看到的星系没法解释。
1700927540
1700927541
但大多数宇宙学家并不慌张。他们认为变化肯定是确实存在的，但太微弱，没被检测到，因为现有的观测技术还太粗糙。这似乎是一个合理的说法。例如，你看的这一页的纸张看起来非常光滑，但借助足够灵敏的设备，其表面的不平整度就会变得十分明显（如图99所示）。也许可以证明CMB辐射的真实结构同样如此，其变化还有待更仔细的检查来发现。
1700927542
1700927543
到了20世纪70年代，最新设备的灵敏度足以检测出CMB辐射的1%的电位差，但仍然没有任何变化的迹象。变化的可能性只能留到小于1%的区间里去寻找了，但是检测这么微小的变化在地球表面上进行似乎是不可能的。
1700927544
1700927545
1700927546
1700927547
1700927548
图99 在图（a）中，肉眼看上去光滑的纸经放大250倍后的结构和变化。图（b）是放大1000倍后的纹理。
1700927549
1700927550
因为CMB辐射是在电磁频谱的微波波段，而大气中的水分连续辐射的也是微波，虽然很微弱，但足以压倒CMB辐射的可能存在的任何微小变化。
1700927551
1700927552
一个创新的解决方案是设计一个巨大的充有氦气的高空气球，它能上升到地球上空几十千米处，接近太空边缘，这样，气球携带的CMB探测器将能够漂浮在几乎不含水分的大气层上空，由此大气微波带来的干扰将被减低到最小。
1700927553
1700927554
然而气球实验困难重重。单一个低温就可能引起脱胶，使得探测器解体。另外，如果设备出现故障，天文学家将束手无策。即使设备运行正常，探测器在气球下降之前也只能工作几个小时。最糟糕的是，装有探测器的缆车有可能落地时会与地面发生撞击，使得数据丢失或毁坏，这样，多年精心准备的努力将毁于一旦。
1700927555
1700927556
加州大学伯克利分校的乔治·斯穆特一直痴迷于寻找CMB辐射的变化，曾参加了几次气球实验，但到70年代中期他已不再对此抱有希望。他的气球实验经常是以灾难结束，即使落地完好的那些结果也依然未能揭示CMB辐射有任何变化。对此，斯穆特采用新的战略。他计划将微波探测器安装在飞机上，这样他就可以在较长的时间里以较高的可靠性来收集数据。这要比危险地悬吊在不靠谱的气球下进行实验好多了。
1700927557
1700927558
斯穆特试图找出具有在高海拔条件下长时间滞空能力的飞机，这两个条件是检测CMB有效辐射所必需的。最后，他确定理想的飞行器是洛克希德·马丁公司制造的U-2侦察机，即冷战期间专事间谍任务的传奇飞行器。他向美国空军打了一份正式报告，让他意外的是得到了他们的积极响应。他们很乐意参加这样一个破解宇宙中最大谜团的研究项目。军方高层人物是如此合作，他们甚至告诉斯穆特可以使用U-2上绝密的机顶舱口，这样他的实验将获得一个相当开阔的太空视角。这个舱口最初只是设计用来测试洲际弹道导弹轨迹用的，当时U-2的任务是监测这些导弹再入大气层时的状态。
1700927559
1700927560
以前的气球吊舱实验使用的探测器已显得相当粗糙，因为没有人愿意将大量金钱投入到一台落地时十有八九要毁坏的设备上。现在，斯穆特有了一个更可靠的机载平台，他用最新技术构建了一套CMB辐射探测器。它能够比较来自两个不同方向的CMB辐射，而且灵敏度比以往大有提高。
1700927561
1700927562
1976年，实验在U-2上起步。短短几个月内，斯穆特及其同事就发现了CMB辐射的惊人变化。来自半边天空的辐射的波长要比来自另一半天空的辐射波长长1/1000。这是一个重要的结果，但不是斯穆特真正要找的结果。
1700927563
1700927564
在早期宇宙中成为星系形成种子的这种辐射涨落应该是非常不规则的，因此它们在天空中应表现为随机的区域斑块。然而，斯穆特检测到的是一种非常简单的二分变化。实际观察结果与宇宙学家真正想看到的结果之间的区别如图100所示。
1700927565
1700927566
斯穆特的测量结果有一个十分显然的解释。宽阔的半球形变化其实是由地球自身的运动以及由此产生的多普勒效应引起的。当地球在空间穿行时，如果探测器是向前探测入射的CMB辐射，那么辐射波长会略短；如果探测器是向后探测，那么波长将变得稍长。通过测量辐射波长的这种差异，斯穆特实际上可以测得地球在宇宙中的速度。这个速度是地球绕太阳旋转，与太阳绕银河系转动，以及银河系自身运动活动的综合效应。《纽约时报》于1977年11月14日在头版公布了这一结果：星系在宇宙中的速度被发现超过100万英里/时。
1700927567
1700927568
虽然这是一个有趣的结果，但它对解决大问题——成为星系种子的CMB辐射的变化在何处？——没有什么大的用处。甚至在除去多普勒效应的贡献后，仍然没有看到大爆炸变化的迹象。如果大爆炸模型是正确的，那么它们必定存在，但没有人能找到它们。斯穆特的设备是非常灵敏的，所以他未能看到错落有致的斑块说明这种变化必定小于1/1000。这样微小的变化即使是机载实验也很难探测到，因为那里仍然有一层稀薄的大气，它将使探测器的非常精细的测量变得模糊不清。
1700927569
1700927570
1700927571
1700927572
1700927573
图100 这两个球代表了CMB辐射的两种不同的分布。从我们地球（处于球体的中心）上看，整个球就是我们看到的太空，阴影区表示我们从不同方向看到的CMB辐射的平均波长。深色阴影表示CMB辐射波长稍长于平均波长，浅色阴影表示CMB辐射的波长稍短于平均波长。
1700927574
1700927575
图（a）所示的变化错落有致，是宇宙学家迫切需要找到的形态。长于平均波长的区域表明这里在早期宇宙时密度稍高，因此可能成为星系形成的种子。宇宙学家不能确定CMB辐射的精确模式可能呈什么形态，但他们知道，它应该相当复杂才能解释星系的现代分布。
1700927576
1700927577
图（b）给出的是简单的结构，一个半球是较短的波长，另一半球的波长较长。斯穆特的U-2实验检测到的正是这种变化模式。它无助于解释宇宙大爆炸模型给出的星系形成所需的复杂变化。
1700927578
1700927579
天文学家开始逐渐认识到，他们寻找这种难以捉摸的变化（如果存在的话）的唯一希望就是得把CMB辐射探测器架到地球大气层之外，就是得安装到空间轨道卫星上才行。星载实验能够排除大气微波的影响，将会是非常稳定的，而且能够对整个天空进行扫描，并能够逐天运行。