地球几乎是各向同性地浸没在奇特的辐射中，这个辐射是关于宇宙历史和它的性质的唯一的讯息来源。这种微弱的辐射是13年前，在研究噪声对卫星通讯系统的干扰时发现的。“噪声”被证明是起源于宇宙，且不久被称为3°K（绝对零度3度）宇宙黑体辐射，因为它具有黑体（或完全辐射体）的光谱特性，黑体温度约为3°K。绝大多数的天体物理学家认为，宇宙的“大爆炸”大约发生在15×10⁹年以前，这种微波辐射是在“大爆炸”以后很短时间内宇宙产生的。它不仅是已发现的最古老的讯号，而且是来自大大超过类星体距离的最遥远的光源。3°K辐射是位于一切天体后面的背景。

宇宙背景辐射的观测是对宇宙原始爆炸本身的最密切和最直接的研究。辐射的处处存在是大爆炸理论的最强有力的证明。辐射的各向同性（从空间不同方向来的辐射是均匀的）告诉我们尽管大爆炸是不可想象地猛烈，但它还是进行得十分平稳。最近发现，辐射的各向同性有微小的偏离，这是由于我们的银河系以600公里/秒的惊人速度穿过宇宙所造成的。正是这个宇宙速度被称为“新以太漂鉍”。这是相对于A. A. Michelson和E. W. Morley的“以太漂移”而言的，他们二人在大约一世纪以前想通过测量光在空间以不同角度相对于地球运动所带来的光程差来测量“以太漂移”，但结果没有发现“以太漂移”。

宇宙背景辐射最初是贝尔实验室的A. A. Penzias和R. W. Wilson在1965年发现。其意义立即为R. H. Dicke和他的普林斯顿大学的小组所认识。此后关于辐射光谱的许多性质也已弄清楚。在30厘米到0.5毫米的波长范围中研究了辐射强度，结果更坚定了原先的估计，即它的光谱线是与3°K的黑体辐射一致的。

最重要的观测结果之一是由Penzias和Wilson报道的，从空间各方向来的辐射温度是不变的。他们的测量指出：在任何方向上的温度变化小于10%。其后的实验装置给出了偏离各向同性的更低界限。然而，最近二个独立的小组进行了更灵敏的测量，结果明确指出：辐射的温度在各个方向上不是精确地相同的。其中一个实验装置设在普林斯顿，由D. T. Wilkinson和B. E. Corey完成的。另一个实验装置是在加利福尼亚大学的洛伦茨· 贝克莱实验室，由G. F. Smoot，M. V. Gorenstein和我组成的小组进行的。现在清楚：3°K背景辐射的温度变化在整个空间约为0.1%。最热的区域在狮子座方向，最冷的区域在宝瓶座方向。这两个区域之间的温度按简单的余弦曲线光滑地变化。这幅与众不同的图像（在空中大的余弦曲线）导致我们能够得到太阳系的速度，此速度是引起非各向同性的原因。为了解释这结论是如何得出的以及P的意义，必须回顾一下大爆炸理论-宇宙背景辐射的由来，正是这种理论阐明了非各向同性的存在。

大爆炸不是物质团简单地向广阔的空的空间的爆炸，虽然如此的图像能够解释哈勃定律（远处的星系以正比于它们到我们间的距离的速度离开我们而退离）。但是它似乎不能说明物质和辐射所充满的空间的均匀性。已知的宇宙显示出如此的均匀，以至于其中的天文学家能够接受“宇宙学原理”：简单地说，即宇宙基本上是处处相同的。此外，在空中某处物质团爆炸的想法对说明宇宙背景辐射的存在显得很不自然。在爆炸过程中，任何辐射将以比物质更快的速度离开爆炸位置，因此观测到的辐射不再在物质的周围。

在大爆炸理论中，没有原始的物质团，也没有爆炸中心。物质均匀地占据空间；不存在物质分布的外部边缘。大爆炸不是物质在空间中的爆炸，而是空间本身的爆炸。根据爱因斯坦广义相对论，甚至物体间在保留它们的各别坐标位置的同时，物体间的空间总量也不是固定的。在大爆炸理论的计算中，通常假定当星系间的空间的总量增加时，星系相对静止。在此理论中，导致星系坐标位置改变的任何运动都被视作特异速度，并不是因为它本身有什么奇特，而是由于它对于各别星系是特异的，它不是整个宇宙运动的一部分。

由于物质和能量的存在，空间的膨胀率减小。如果宇宙的平均质量密度低于临界值（约10^-29克/厘米³），膨胀将永远继续下去。如果平均质量密度高于临界值，膨胀将缓慢下来直至停止，并且转为内向爆炸。质量密度同样决定宇宙的大尺度几何。如果质量密度大于临界值，宇宙的体积是有限的，反之，宇宙体积是无限的。至今，宇宙的质量密度尚没有精确地确定，以至不足以确定宇宙究竟是有限的还是无限的。幸而上面的讨论对于大爆炸理论的绝大多数计算不是关键的。我们将假定平均质量密度等于临界值。这还具有额外的好处，即空间的平均曲率为零。因此我们能够采用熟悉的欧几里得几何。

物体本身没有运动，而二个物体之间的距离会改变，这个概念对我们似乎是奇怪的，因为它完全与我们的日常经验不一致。然而这与空间曲率本身相比几乎不算奇怪。在童话和许多科学幻想小说的描述中，空间是柔韧可变的。广义相对论与异想天开间的区别仅仅是它有特定的方程。这些方程把几何及空间体积与它原来的历史和它的质能含量之间联系起来。

哈勃定律自然符合大爆炸理论。其关系式从以下二个事实得出：不仅物质所占据的空间是均匀的，同时空间以均匀的速率被产生出来。因此，隔开星系的距离越远，星系间所创生的空间总量也越多。哈勃观测到所有的星系离开我们而去。这并不意味着我们的银河处在宇宙的中心，从每一个另外的星系上都会作出同样的观测。

空间的均匀膨胀仅仅在星际尺度的距离上显示出来，在巨大天体例如太阳的邻近（在此处空间几何完全不同）是不成立的。在一个分子的原子间或一个原子的电子间的距离上，它同样是不成立的。在这样的距离上，是电磁力而不是引力起决定性的作用。空间的膨胀甚至趋向于改变原子和分子的构成，而它们的内部电场将保持原来的结构。如果不是这样，人们的观测及他们的米尺将以与宇宙膨胀同样的速率伸长，空间的膨胀不能被观测到。

加莫夫（G. Gamow），阿尔芬（R. A. Alpher）和赫尔曼（R. Herman）将膨胀外推回到宇宙的密度比现在大10³⁰倍以上的时期，这使大爆炸模型获得了巨大的初步的成功。他们认为早期的宇宙是非常热的，由于高温加上高密度引起了热核反应，将质子、电子和中子的等离子体转变为重氢核和氦核。仅仅在几分钟时间内，等离子体的膨胀使温度和密度降低到低于维持进一步反应所需要的水平。这种演变过程是不完全的，仅仅只能解释目前宇宙中氦和氢存在的比例。

加莫夫、阿尔芬、赫尔曼模型的另外一个结果是（实际上目前并没有重视）：热的等离子体将发射和吸收电磁辐射，正如太阳表面热的等离子体发光一样。辐射不断地被自由电子散射，直至大爆炸以后约50万年。在这段时期中，物质的密度和温度急剧下降，最后组成它们的离子（绝大多数是质子和电子）结合成为电中性的原子。这个时期（实际上持续了几千年）通常称为“退耦时刻”^①。自那个时间以后，辐射和物质间的相互作用变为微不足道。先前的不透明的宇宙突然变成清晰，电磁辐射能够无散射地通过空间，并且保留了光子最后被散射的等离子体的像。

我们现在观测到的宇宙背景辐射正是这种辐射。今天到达我们这里的辐射是从等离子体壳上最后散射出来的，其完全充满我们目前的空间位置。如果等离子体中的某些物质形成离开我们而远去的星系，人们能够设想：生存在其上的聪明的生物现在观测到的辐射是150亿年以前我们范围的空间的最后散射。

最初发射的是最大波长约0.7微米的可见光和红外线辐射。宇宙的背景辐射的红移因子为1500，因此我们现在观测到的最大波长在1毫米左右。红移是由于辐射壳层的极端高的速度膨胀所引起的，或更恰当地说是我们与壳层之间的空间以高的速率在增加。辐射波长本身没有改变，然而我们是在一个以99.9%的光速相对于150亿年以前发射的物质运动的参考系中进行观测的。

黑体光谱的一个值得注意的特征是：当在一个相对于发射体运动的参考系中观测时，其仍然保持黑体辐射的形状特征，改变的只是温度。在相对于等离子体运动^②的参考系中，辐射的特征温度约为4500°K；在我们的参考系中只是3°K。随着时间的流逝，我们将不断截获宇宙背景辐射，然而我们观测到的讯号来自甚至更远的空间范围。由于这些更远的区域以更高的速度离开我们而运动，在我们参考系中观测到的辐射将具有低于3°K的温度。在又一个150亿年，到达我们目前空间位置的辐射具有的温度将为1.5°K。它同样是在退耦时刻发射的辐射，但是来自比我们今天所观测到的辐射空间更远的区域。

当人们观测宇宙背景辐射时，人们正是在研究大爆炸后50万年散射物质壳层的结构。如果宇宙完全是均匀的和各向同性的，宇宙背景讯号将完全没有特色。十分清楚，目前的宇宙是起伏而不均匀的，其包含有行星、恒星、星系和星系团。如果大范围的成团开始在退耦时刻以前，对应这些团，背景辐射将显示出亮和暗的斑点。如果观测到这样的特征，人们将得到宇宙早期发展的吸引人的一瞥。另一方面，不出现这种特征将意味着大尺度的结构（例如为了说明星系团必须有的成团现象）在退耦时刻还没有出现。

背景辐射同样为一些更富于探索性的宇宙理论提供了检验的机会。例如，宇宙是可以旋转的，这是广义相对论许可的。剑桥大学的S. W. Hawking首先指出，自旋将清楚地显示出宇宙背景辐射的各向同性有特殊的偏离。如果最后散射的壳层关于我们的局部惯性参考系有旋转，在壳层的赤道处的等离子体有一个横向的速度，而在壳层的两极的等离子体没有这样横向速度。根据狭义相对论的时间变慢效应，沿着等离子体的赤道，钟和其它振荡器将变慢。因此赤道部分发射的光在膨胀红移上还要加上一个小的红移，这附加的红移使得从赤道区域来的辐射温度稍微有些降低。根据广义相对论自旋的宇宙是能够被鉴别的。但是根据马赫原理这是不能被检别的。马赫假定，正是局部的惯性参考系的存在依赖于宇宙远处的物质。因此局部惯性参考系与远处的物质不可分割地联系在一起。在宇宙整体是旋转的情况下，局部惯性参考系也是旋转的。如果背景辐射的分析揭示宇宙是自旋的，则马赫原理就被推翻。

如果在大爆炸的初期产生波长非常长的引力波，则它们同样将引起宇宙背景辐射的不同图像（因为对引力波而言，退耦时刻仅是大爆炸以后第二时期的一小部分^③，它们的直接检测将给出比宇宙背景辐射所提供的宇宙历史更早的一瞥）。人们已发现，非各向同性揭示了宇宙并不是严格地按照哈勃定律而均匀膨胀的。此现象倾向于在天空中形成不同的图像，使它们得以相互区别。也许所寻求的最有特色的图像是：非各向同性是由于太阳系相对于发散辐射的等离子体壳层运动而引起的。

在空间的任何一个区域中，背景辐射是完全各向同性的情况只能存在于一个惯性系中。在任何其它参考系中，观测者的运动本身显示辐射温度的变化，辐射温度正比于观测者的速度以及他的运动方向与观测方向间夹角的余弦。P. J. E. Peebles是迪克小组的一位物理学家，他正确地论证辐射的由来，杜撰了“新以太漂移”这个词来描写所期待的运动。尽管它不是相对固定于空间某参考系的运动，而是相对于宇宙中最自然的参考系的运动。这个参考系是膨胀坐标系，在其中星系是接近于静止的。

可能检测到“新的以太”漂移的希望激励我和我的同事去设计一个新的实验，对以前的测量作了重大的改进。我们希望发现：地球的运动基本上是由于太阳系环绕我们的银河系中心以大约300公里/秒的速度运动造成的。这个运动因银河系向仙女座星系的运动而有一个小的修子（我们银河与仙女座星系间的相对运动早已通过发射光谱线的多普勒效应测定为80公里/秒）。地球环绕太阳以30公里/秒的速度运动所产生的漂移只是所期望的“以太”漂移中很小的部分。

为什么我们会激起测量这些已知量的兴趣呢？我们的主要兴趣是在另外一些可能的效应上：宇宙的自旋，形成星系团的早期的征兆，引力波和非各向同性的哈勃膨胀。然而，在开始一个困难的实验时，必须确保会出现某种非零的结果。尽管甚至一个零的结果也是有趣的、有意义的，可是“零”是无法精确测量的。

当我们开始实验时，我们已经知道宇宙的背景辐射的各向同性度达几毫米，或者说优于1/500。这主要归功于普林斯顿的威尔金森和B. Partridge以及斯坦福大学的E. K. Conklin。普林斯顿另一位实验者P. Henry发现了各向同性的微小偏离，但是他的数据不能与一条简单的曲线相符合，并且他没有精确测定最大温度的方向。

在我们的测量中，打算使用人们先前研究中已用过的相类似的设计仪器：迪克辐射计。借助于这个装置，人们不是测量宇宙辐射的绝对温度，而是测量天空中一个方向与另外一个方向间的温度差。虽然人们试图通过比较不同方向的两台接收机的输出来测量出这个差别，但是这两台接收机的热噪声以及它们增益的不可控制的变化（闪烁噪声）将把所需要的微小差异掩没。在迪克的设计中，通过同一接收机往复接通位于两个不同方向的喇叭天线来解决这个问题。如果在地球的表面进行此实验，人们为了消除来自大气中氧发射的强烈的微波，用位于同一天顶角的两个喇叭天线来测量，这样，这两个天线都“看”到同样总量的氧。

为了消除两个喇叭天线的接收功率和发射功率的微小差别，或连接喇叭天线与接收机的微波转换开关中可能产生的不对称性，全部设备是旋转的，每分钟改变天线位置一次。采取了这些预防措施后，背景辐射的任何不对称性将表现为接收机输出的波动，此波动与天线开关的速率是一致的。

为了使早期实验的灵敏度有根本的改进，我们必须正确地认识是什么限制了早期实验的灵敏度，以至于我们所进行的新的实验设计预期能对问题有最好的结果。在早期实验的结果中，灵敏度主要是被我们银河系磁场中的加速电子发射的“同步辐射”所限制。虽然同步加速辐射的强度粗糙地和银河系的可见光类似，但是在光谱的微波范围中精确的图像是不知道的。人们能够作的一个最好的方法是：估算同步加速的非各向同性，从整个观测的非各向同性中减去，希望留下来的是表示宇宙背景辐射的非各向同性，而不是估算的误差。

有一种直接的方法去减小同步加速辐射所引入的干扰，这就是把微波波长减小到短于3厘米。例如由3厘米到1厘米，同步加速辐射的强度大体降至1/3。同样重要的是，在同上的波长变化中，按照黑体曲线，宇宙背景辐射变强10倍。用比较短的波长工作的一个障碍是大气发射的增加：水蒸气和氧气使波长短于2厘米的地面观测成为不可能。水蒸气特别讨厌，因为它能以斑点形式存在，这不能用在同一天顶角下的一对瞄准天线来消除。

显然的解决方法是在50,000英尺以上的高度做实验，此处水蒸气几乎全部凝结。山顶的高度是不够的，必须利用氢气球，飞机或空间飞船。虽然我们知道空间飞船的实验是最灵敏的，然而在飞机或气球上做实验所花的代价要小得多，因此首先必然把着眼点放在这里。与国家航空与空间管理局（NASA）Ames研究中心主任H. M. Mark及洛伦茨 · 贝克莱实验室的L. W. Alvarez讨论了这些问题，我们感到为NASA研究地球资源而工作的U-2飞机对我们实验来说是一个理想的场所。大约在同时（1973年）普林斯顿的科里和威尔金森选择气球吊篮作为非各向同性测量的场合。我不打算叙述他们的实验，而是集中在我们的U-2飞机必须解决的问题上。

在空中进行实验苛刻地限制了可以利用的时间。这意味着我们的接收机必须尽可能地灵敏（在地面的实验中，即使没有低噪声的接收机，通过多次测量数据的平均可以提供一个灵敏的结果）。不幸，当波长低于3厘米时，微波接收机的灵敏度逐渐降低。为了避免波长远大于1.5厘米的同步加速辐射、波长为几毫米的强烈的大气发射的讨厌干扰以及接收技术所给出的限制，我们的实验最终选择了波长为0.9厘米（频率为33千兆赫）作为最佳值。在此波长上，我们认为我们设备的灵敏度足以去发现小于千分之一度的非各向同性，这对于决定太阳系扫过银河盘的速度是绰绰有余的。

在空中进行实验的一个主要问题是实验场所的不稳定性，这使它保证两个喇叭天线位于同一天顶角从而看到相同氧气体积这一点发生了困难。我们是通过下面的方法去解决这个问题的：用调谐到波长为0.55厘米（频率为54千兆赫）的第二个辐射计对天顶角监视，此波长对大气中氧气的发射谱特别灵敏。借助于这些安排，我们能够发觉由于飞机倾斜或大气流动所引起的氧气讯号的任何不对称性。由于地球不是球形而是准椭球形的，大气流的确经常相对地面流动，大气同样为冷热气团的分界面所扰动。如果流动是大的，就要求驾驶员倾斜飞机来补偿之（并不要求飞机作技巧飞行）。

我们设备的尺寸被U-2飞机后舱的有效空间所严格限制，这使天线的设计特别困难。由于地球是一个强的微波辐射源，我们必须找出一种方法去屏蔽天线。地面上用大金属反射器解决了这个问题，它起到遮断和反射地面照射的作用。我们解决的方法是设计一个特别的喇叭天线，使与喇叭轴大于60°方向检测到的讯号是极小的。在U-2飞机中小的有效空间要求设备是全自动化的，因为在飞机上没有供实验者的房间。另一个值得注意的问题是U-2中设计的照相机是向下俯视的，而我们希望向上仰视。不进行重大的修改，我们就无法在U-2飞机紧凑的外壳顶部开一个孔。由于NASA在Ames研究中心职员以及洛克希德航空公司精通飞机的工程师们的帮助下，修改得以完成。

以上这些只是我们实验中遇到的部分问题。新实验的要求是预期新问题并解决之。许多荣誉是属于我的同事斯穆特和戈伦斯坦，把理论方案成功地变为实验是他们的特长。

设计和试验方案制定后三年（1976年7月），在U-2飞机上我们完成了设备的安装工作。进行一系列试验飞行后，我们作了各种修改，并且在获得数据的过程中继续进行了另外的修改。于那年的12月份开始得到数据。所有取得数据的飞行都是在晚上进行的，因为即使是我们特殊设计的喇叭天线也能从太阳检测出微波讯号。没有一种实用的方法可以屏蔽掉来自太阳对我们设备的不均匀加热。当从月亮来的微波辐射处于适当的角度时，月亮提供了飞行中校正接收机增益的一个方便的方法。

最初几次飞行所收集的数据无可置疑地显示了宇宙背景辐射各向同性的偏离。然而为了得到非各向同性的清楚的图像，我们必须把飞行扩大到全年，使天线得以扫描加利福尼亚北部所看见的天球的尽可能大的部分。到去年年底，从10次飞行所得到的数据画出了清楚的余弦曲线，人们可以明白是否太阳等在以高的宇宙速度运动着。科里和威尔金森用装在气球吊篮里的19千兆赫的辐射计测出了在1.6厘米波长处的一个相同的非各向同性。无论是在贝克莱和普林斯顿的实验中，非各向同样的量值都与亨利首次报道的结果一致。

我们的数据指出，宇宙背景辐射的最大温度超过平均值的0.0035度（3.5毫度），这是在通常天体坐标中的某个方向，即赤径11度北纬6度或东南东15度狮子座的最亮一颗星（α星）的方向。在那个方向上太阳的速度可以根据最大温度偏离0.0035度直接计算出来，即用宇宙背景辐射的平均温度（取最流行的值）2.7度除偏离值再乘上光速，计算结果太阳速度为390公里/秒。

虽然这个速度与300公里/秒相差不大，300公里/秒是太阳系环绕银河中心运动的速度，但是它是在不同的方向上。由于太阳系的速度是银河旋转速度加上银河系本身的速度，我们能够用测量值并根据矢量计算求出银河系本身的速度。这时我们发现，银河必须以约600公里/秒的速度相对于宇宙背景辐射而运动。

除了温度的余弦变化以外，对我上面提到的某些问题加了严格的措施后，发现背景辐射的各向同性优于1/3000。如果宇宙是旋转的，其旋转率必须低于10^-9秒/世纪。即使存在大尺度的引力波，它们也没有足够的能量使宇宙封闭起来或将哈勃膨胀变为收缩。膨胀本身必须各向同性达1/3000。也没有证据表明星系团在早期形成，在退耦时刻并不存在大尺度的星系团。

也许实验的最诱人和最令人意外的结果是指出了银河系宇宙速度的大小。由于我们的银河系相对仙女座星系运动速度很小（80公里/秒），仙女座星系必须参加穿过空间的高速度运动。进一步，我们已经知道，我们所在的星系群相对于最近最大的室女座星系团的运动（非哈勃运动）是小的，因此整个室女座星系团必须具有类似于我们的宇宙速度。这幅图像显示，半径为几千万光年的巨大的空间体积以大约600公里/秒的速度相对于远处的宇宙在运动。

当我们进一步超出局部的空间范围看得更远一点时，图像就变得更加复杂了。在我们工作以前，华盛顿大学地磁系卡内基研究所的初级研究员鲁宾（V. C. Rubin）、福特（W. K. Ford）以及他们的同事已分析了全天空我们银河相对于距离为数亿光年外的旋涡星系的运动。他们得出的结论是，相对于这些星系，太阳系具有600公里/秒净速度。除了太阳系由于银河旋转所引起的那部分外，他们计算出我们的银河相对于参考系的球面以大约450公里/秒的速度运动。

通过宇宙背景辐射测出我们银河系的特异速度不仅比鲁宾 -福特速度大1/3，同时它们之间方向的偏差超过100度。只要假设鲁宾 - 福特星系球以大约800公里/秒的宇宙速度运动，其方向与穿过大爆炸遗留下来的辐射以太漂移速度——600公里/秒成33°的夹角，二种速度就可以统一起来。

在人们注意到过去的特异速度甚至比今天更高时，这个值得注意的图像就显得更为奇特了。当星系以高的特异速度穿过空间运动时，最终将赶上其它以平均哈勃膨胀速度后退的星系。因此高的特异速度逐渐转变为典型的哈勃速度，特异速度必须随着时间而减小。外推回去，人们发觉在退耦时刻我们星系的特异速度必须接近于光速。另一方面，如果特异速度是由于局部的扰动或者是环绕远处的一点的轨道运动而引起的，这样的外推就不正确。我们局部星系群相对于邻近（宇宙尺度上）鲁宾 - 福特星系的速度事实上确实指出宇宙中存在值得考虑的扰动。

在人们接受这个宇宙的大尺度结构的扰动图像以前，可以回顾一下：我们对宇宙背景辐射的观测指出除了余弦分量以外，辐射的均匀性至少为1/3000。如何使背景辐射的均匀性与高度的局部扰动相一致，这一点还不清楚。肯定地说，局部的特异速度是目前宇宙的特性，而背景辐射是150亿年以前宇宙突然发射出来的子弹。可以想象，宇宙具有一些大尺度的结构，例如超星系团的旋转可以调和出现的矛盾。

也许对均匀各向同性的大爆炸模型的最直观的评价是它太简单以至不能描写客观实在。人们容易假定未知的内容是简单的。也许，真的可能存在大尺度的结构，其在决定宇宙性质中起着主要的作用。借助于目前大尺度星系团及宇宙背景辐射的非各向同性的测量，我们得以开始探索这个结构。

[译自Scientific American1978年238卷5期，吴雪君译须重明校]

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① 指辐射与物质相互作用、相互耦合消失的时期。——译者

② 原文如此。拟为相对于等离子体静止的参考系。——译者

③即50万年中的几千年。——译者