第6章　最古老的光

第57夜：线路里的嘶嘶声

第57天的早上，在和地面的第一次通话中，努尔注意到了那阵嘶嘶声。它非常微弱，就像远处的雨声，垫在耳机里传来的每一个声音底下。地面团队仍然能清楚地听到她的声音，她也仍然能听懂他们的话。但嘶嘶声就在那里，而在空间站上，任何不该出现的东西都值得查一查。

地面请她帮忙找出原因。他们发来一份简短的检查清单，她在当天其他工作的间隙逐项完成。她先换了一副耳机来听。嘶嘶声还在。然后她换到另一块无线电面板。嘶嘶声还在。接着她逐一核对地面念给她听的各项设置。全都对得上。到了午饭时间，她已经排除了几乎所有容易排除的东西。这也是一种有用的进展，尽管当时并不觉得是进展。

下午，地面的一位专家请她沿着一根电缆从面板一直查到墙边，检查一块盖板后面的一个小接头。她花了二十分钟才打开盖板，因为每一颗螺丝都必须在它飘走之前抓住。盖板后面，接头看起来没问题。她还是按照检查清单的要求，把它轻轻地按回原位。专家请她说几句话。她从一数到十。停顿了一下之后，地面传来一个温暖的声音，说嘶嘶声消失了。

托马斯笑着说，所有工程工作里有一半，就是把东西轻轻地按回原位。阿德说，另一半是当你的仪器告诉你一些奇怪的事时，要相信它们。努尔把结果记进日志，重新盖好盖板，再把螺丝从系在袖子上的小袋子里收拾出来。

那天晚上，努尔把嘶嘶声的事告诉了萨米。他在装卸区停着的卡车里回了消息。他说，他驾驶室里的收音机每天夜里在两个镇子之间的同一个地方都会发出嘶嘶声，他已经不再留意它了。努尔看了笑了。她知道一个关于嘶嘶声的故事，讲的是两位工程师怎么也无法不去留意一阵嘶嘶声，以及那阵声音最后被证明是什么。这正是适合第57夜的故事。

一片发光的雾

在前一个夜晚，我们把宇宙的影片倒着放了一遍。如果星系今天正在彼此远离，那么很久以前一切都离得更近。而当物质和光被挤在一起时，它们就会变热。勒梅特想象出了一个“原初原子”。稳恒态想法的支持者们则想象出一个根本没有开端的宇宙。站在后一方的弗雷德·霍伊尔，在一次电台讲话中给前一种想法起了那个著名的名字。但名字并不是证据。今晚的故事，讲的就是解决了这个问题的证据。

让我们想象一下年轻的宇宙，在开端之后的几十万年。它比今天宇宙中的任何东西都要热得多、密得多。它热到原子无法维持在一起。原子，我们会在后面的夜晚更详细地讲到，是由一个叫作原子核的微小中心，以及围绕着它的、更加微小的叫作电子的粒子组成的。在年轻的宇宙里，电子无法待在原子核身边。每当一个电子安顿下来，高温就又把它撞飞了。

自由电子对光有一个重要的影响：它们挡住了光的路。在那个早期宇宙里，一束光走不了多远，就会撞上一个电子，被弹向新的方向。然后它又撞上另一个，再一个。光无处不在，却无法沿着直线去往任何地方。整个宇宙都在发光，但它并不透明。它就像一片浓厚而明亮的雾。

你很可能在一个起雾的早晨见过类似的景象。太阳已经升起，你周围的空气是亮的。但你看不见街道尽头的房子，因为来自它们的光在到达你眼睛的路上被散射掉了。年轻的宇宙在每一处、每一个方向上都是这样。如果有人能站在它里面，他只会看到一片明亮而均匀的光芒，后面什么也看不见。

然后，宇宙继续缓慢地膨胀、冷却。在开端之后大约380,000年，它冷却到了几千度的温度。这仍然非常热，大约和一些较冷恒星的表面一样热，但已经冷到足以发生一个重要的变化。电子现在可以在原子核周围安顿下来，并留在那里。原子形成了，主要是氢原子和氦原子。

雾散开的那一刻

一旦电子进入了原子，它们就不再那么容易挡住光的路了。突然之间，光可以沿着直线自由地传播了。雾散开了。天文学家有时把这一刻比作一盏一直被包在浓云里的灯，突然来到了清澈的空气中。在那一刻被释放出来的光，朝着各个方向出发，穿越宇宙。其中一部分从那时起一直在旅行，走了大约138亿年，有一部分今晚正在到达地球。

那些光出发时，是一个温度为几千度的物体发出的光芒。来自这样炽热物体的光波很短，其中一部分在人眼看来会是橙色或黄色的。但在讲星系彼此远离的那个夜晚，我们看到，空间本身已经伸展了几十亿年。随着空间伸展，这些古老的光的波也随之被拉长。它们被拉长了一千多倍。今天，这些波已经根本不是可见光了。它们是长得多的波，叫作微波。

微波是一种波长相当短的无线电波。它们和微波炉用来加热食物的波属于同一家族，但宇宙这古老的光极其微弱。它不会让任何东西热到你能感觉得到。它今天的温度只比绝对零度高大约2.7度。绝对零度是可能达到的最低温度，大约是零下273摄氏度，所以这古老的光大约是零下270度。

天文学家把这种光称为宇宙微波背景辐射。“宇宙”表示它属于整个宇宙。“微波”告诉我们它今天是什么样的波。“背景”表示它位于其他一切的后面，就像舞台的后墙。在这本书里，我们大多会简单地把它叫作最古老的光。它是我们所能看到的最古老的光，因为在它之前，宇宙是一片光无法穿越的雾。

这里面有一件非同寻常的事。最古老的光并不来自某一颗恒星或某一个星系。它也不来自某一个方向。它同时来自每一个方向，来自整个天空，不分昼夜。在你读这一页的时候，它的一小部分正非常微弱地穿过你周围的房间。这就像站在一座大厅里那渐渐消逝的回声之中，声音从所有的墙壁一起传来。

发现它的人们

最早仔细思考这种古老之光的人，原本在研究另一个问题。1948年，物理学家乔治·伽莫夫和他年轻的同事拉尔夫·阿尔菲、罗伯特·赫尔曼，正试图理解最轻的元素是怎样在一个炽热、致密的早期宇宙中形成的。那是我们下一个夜晚的故事。但在研究过程中，阿尔菲和赫尔曼意识到了一件事。如果早期宇宙真的那么热，那么那份热量留下的微弱光芒今天应该仍然充满着空间。他们估计，这种光芒现在只比绝对零度高几度。

请想一想这三个人是怎样工作的。他们没有能看到早期宇宙的望远镜，也没有我们今天使用的那种计算机。他们用的是铅笔、纸、简单的计算器，还有长时间的交谈。伽莫夫以他顽皮的幽默感著称，还写过一些亲切的书，给普通读者讲解物理。阿尔菲和赫尔曼完成了大量耐心而细致的计算。他们估算出的大约五度并不完全准确，但已经接近真实的数值，对于第一次尝试来说，这是一个了不起的结果。

他们的预言在当时并没有引起多少关注。测量如此微弱的光芒，似乎远远超出了当时仪器的能力，而且许多科学家还根本不相信宇宙有一个炽热的开端。这个想法在好几年里基本上被遗忘了。这样的事在科学中发生的次数比人们以为的要多。一个好的想法可以静静地躺在旧论文里，等待合适的仪器或合适的人出现。

20世纪60年代初，两位无线电工程师开始使用一台巨大的喇叭形天线。这台天线原本是为了接收从卫星上反射回来的信号而建造的。他们想用它来仔细测量来自太空的微弱无线电波。为此，他们首先必须弄清楚天线和它的接收机自身产生的每一点噪声。于是他们测量、核对，再测量。结果他们发现了一阵无法解释的微弱嘶嘶声。无论他们把天线指向哪个方向，无论一天中的什么时间、一年中的什么季节，它都一样。

他们做了好工程师都会做的事。他们在自己的设备里寻找原因。他们检查了接收机和各个连接。他们甚至发现，有一对鸽子一直在喇叭里面筑巢，在它的内壁上留下了粪便。鸽子被送走了，工程师们仔细地清洁了喇叭。嘶嘶声仍然存在。它不是来自天线，也不是来自附近的任何地方。它来自天空。

大约在同一时间，离他们不远的一组物理学家正在建造一台仪器，恰恰就是为了寻找这样一种光芒，因为他们自己又重新推导出了这个想法。当两组人听说了对方的工作时，他们明白了那阵嘶嘶声是什么。1965年，结果发表了。工程师们发现的，正是最古老的光。对许多天文学家来说，这一刻意味着稳恒态的想法失去了它最有力的支撑，因为一个没有炽热开端的宇宙，没有什么自然的办法让这样一种光芒充满整个空间。

一张记录细微差别的地图

1965年以后，最古老的光成了整个天空中被研究得最多的东西之一。起初，它似乎完全均匀。据人们所能测量的范围，它在每个方向上的温度都相同。这本身就是一个谜。如果年轻的宇宙完全均匀，那它后来又是怎样变得凹凸不平，这里有星系、那里是空旷的空间呢？某个地方一定存在着一些细小的差别，只要有人能把它们测量出来。

从地面上测量它们非常困难，因为空气本身在微波波段会发出一点微光，空气里的水分也会造成干扰。于是科学家们建造了卫星，从大气之上测量最古老的光。1989年发射的一颗卫星非常仔细地测量了这种光芒，1992年，它的团队宣布他们找到了那些差别。这些差别极其微小，大约是十万分之一。天空中有些地方比平均温度略微暖一点点，有些地方略微冷一点点。

这颗卫星并不是像照相机那样在一瞬间拍下一张照片。它年复一年地一遍又一遍扫描整个天空，它的团队把这些测量结果累加起来，好让那些细微的差别能从仪器的噪声中显现出来。从这个意义上说，这个团队面对的问题，和那两位使用喇叭天线的工程师是一样的。在他们能够相信天空告诉他们的东西之前，他们必须弄清楚自己的设备产生的每一点噪声。

要想象这有多么微小，可以想一想一片宽阔而平静的湖。如果湖水完全静止，它的表面就会是完全平坦的。十万分之一的差别，就像是小到你的眼睛永远也看不见的涟漪。然而这些微小的涟漪却极其重要。在年轻宇宙中稍微致密一点的地方，引力的牵引也稍微强一点。在几亿年的时间里，这些地方聚集了越来越多的物质。最古老的光中那些微小的涟漪，正是星系的种子，其中也包括我们自己的星系。

后来的卫星为整个天空绘制出了越来越清晰的地图。这些地图看上去像一枚带斑点的蛋，上面布满了略暖和略冷的光斑。通过研究这些斑点的大小和图案，天文学家可以测量出宇宙的许多性质：它有多老，它包含多少普通物质，以及包含多少我们在后面的夜晚会遇到的那些奇怪的物质和能量。这本书所用的大约138亿年这个年龄，很大程度上就来自这样的地图。

所以，最古老的光不仅是炽热开端的证据。它也是一张宇宙的婴儿照，拍摄于它大约380,000岁的时候。和它今天的年龄相比，这就像是一个人在出生后第一天拍的照片。那张脸还不是成年人的脸，但轮廓已经在那里了。

给萨米的消息

睡觉之前，努尔在大窗户旁飘了几分钟。空间站正位于地球的夜半边上空，那条细细的大气线之上，天空漆黑一片，布满了星星。她知道，最古老的光也在那里，在星星之间，在星星后面，她的眼睛看不见它，但它充满了每一个方向。窗户、空间站和她自己的双手，都非常微弱地沐浴在它之中。

晚上早些时候，阿德在厨房区的一块屏幕上给托马斯和努尔看了一张最古老的光的地图。托马斯说，它看起来像是凑得很近看到的橙子皮。阿德说，他们从窗口能看到的每一个星系，都是从像那些斑点一样的细微差别中成长起来的，在几十亿年里被引力放大了。之后好一会儿，谁也没有说话，而在一座忙碌的空间站上，这也算是一种赞美。

她给萨米写道：“你收音机里的嘶嘶声，很可能来自附近的信号塔或者发动机。不过在无线电的嘶嘶声里，有一小部分可能来自宇宙中最古老的光。从某种意义上说，你在夜里开车时，也许一直在听着开端留下的一丝微弱痕迹。”一个小时后，萨米在休息时回复说，他再也不会因为两个镇子之间的那阵嘶嘶声而烦躁了。

也许，在你自己的工作日结束之后，你的生活里也有那样一种声音：冰箱的嗡嗡声，车流的噪音，一台旧收音机的嘶嘶声。当然，其中大部分来自附近的普通事物。但最古老的光也在那里，每天晚上都在，从四面八方而来。它在有恒星之前很久、在有地球之前很久就被释放出来了，一直走到现在，来到你此刻坐着的地方。

常见的误解

许多人以为，最古老的光来自某一个遥远的地方，就是发生大爆炸的那个地方。这样想象是很自然的，因为我们通常认为光来自一盏灯或一颗星星。但最古老的光同样地来自每一个方向，因为那片炽热的雾充满了整个宇宙，而不是充满了宇宙里的某一个点。无论我们朝哪里看，我们看到的都是远方的某个地方，正是在那里，雾为此刻到达我们的这些光散开了。一位身处非常遥远星系的天文学家，也会看到同样的光芒环绕着自己，来自他自己周围那些遥远的地方。

许多人还以为，只要望远镜足够大，我们就能越过最古老的光，看到开端本身。用普通的光，或者用任何与之同类的波，我们都做不到。在大约380,000年之前，宇宙是一片光无法穿越的雾，所以更早时期的光都无法沿着直线到达我们这里。这就像试图从外面看清一朵云的内部。科学家们用其他方法来了解更早的时期：根据最轻元素的含量，那是我们下一个夜晚的故事；还有根据最古老的光本身所呈现的图案。

最后，有些人听说，最古老的光“不过是老式电视机上的雪花”。真相要比这温和一些。老式电视机在没有调到频道时，会显示出一片跳动的斑点图案，叫作雪花。那些雪花大部分来自电视机本身、其他电器设备和附近的无线电源。但其中确实有一小部分来自最古老的光。所以，任何曾经坐在一台没有调好频道的电视机前的人，都在不知不觉中看着年轻宇宙的一丝微小回响。在下一个夜晚，我们会回溯到更早的时候，回到最初的几分钟，看看那片炽热的雾是由什么组成的。