人类从宇宙中获得信息来自于“光”

伤我心太深

人类从宇宙中获得的绝大部分信息来自于光。

人类从宇宙中获得的最古老的信息来自于宇宙中最古老的光。这缕最古老的光有个专门的名字，叫做微波背景辐射（Cosmic Microwave Background 简称CMB）。微波背景辐射给我们讲述了宇宙小时候的许多故事，其中最诡异的故事莫过于宇宙的邪恶轴心了。
宇宙的“第一缕光”
故事是这样的。我们的宇宙一直在膨胀啊膨胀，已经近137亿岁了。如果逆着时间之河的方向去看宇宙的小时候，我们会发现，那时所有的物质应该都挤在很小的一片区域内。宇宙的年龄越小的时候，宇宙的“体积”就越小，物质被挤压的越紧密，那时宇宙的温度也就越高。如果再顺着这个逻辑推导下去，那么我们不得不认为宇宙诞生于一次“大爆炸”。美剧《The Big Bang Theory》的片头曲就是这么唱的：
“Our whole universe was in a hot dense state,Then nearly fourteen billion years ago expansion started. Wait...”（我们的宇宙曾处于炎热致密的状态，然后大约一百四十亿年前它开始膨胀。等一下…… ）
宇宙诞生之后，先是经历了一段不为人知的量子时期，然后是加速膨胀的暴胀时期（见《娶不到媳妇怨宇宙》）。暴胀结束之后的一瞬间，宇宙是一锅高温的基本粒子汤，还没有形成原子。经过了“最初三分钟”的原初核合成的过程，宇宙的化学元素组成才比较接近我们今天看到的模样。
那时候宇宙的温度仍然有几万K，比现在太阳表面的温度（约6000K）还要高。这么高的温度自然要伴随着强烈的发光过程。由于温度很高，发出的光的能量也很高，“寿命”也就很短：还没跑出多远，很快就被附近的原子（主要是氢和氦）吸收，使后者都电离成原子核和电子了。
随着宇宙的膨胀，温度越来越低，宇宙中高能光子的比例渐渐减少，而低能光子的比例却渐渐增多了。在宇宙大约38万岁时（仍然是幼儿时期），宇宙的温度降低到了约3000K。此时的高能光子寥寥无几，而低能光子又没有足够的能量再把中性原子拆散成原子核和电子了。从此，中性原子们“无视”了低能光子的存在，任由它们在宇宙中自由穿行，这才有了宇宙的“第一缕光”[1]。
WMAP——“第一缕光”的微波照相机

“第一缕光”发出时宇宙的温度有3000K。要知道把加热到1000K的铁就已经能发出暗红色的光来，3000K宇宙背景还不把黑夜照的跟白昼一样？可是从38万岁到现在的一百多亿年间，宇宙的尺度变大了1100多倍，这些在宇宙中旅行的光的波长也像房价一样被拉长了1100多倍。波长所对应的温度也有原来的3000K降低到了2.725K，仅仅比绝对零度高出一点点。人类懂得仰望星空时，宇宙的“第一缕光”早已成为“嘶嘶”的微波背景辐射。因此，当美国贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊在1964年惊奇的发现，天空中存在各向同性的，不随时间和季节变化的微波噪声时，他们最自然的想法是天线上的鸟粪和鸽子窝在作怪。
为了获取宇宙留给我们的最古老的信息，科学家们准备了许多“微波照相机”。例如，1989年11月，宇宙微波背景探测器（Cosmic Background Explorer，简称COBE）由NASA发射升空。1998年和2003年，“飞镖”球载望远镜（Boomerang）乘坐热气球两次在南极洲升空。2001年6月，威尔金森微波各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，简称WMAP）由NASA发射升空。2009年5月，普朗克巡天者（Planck）由欧洲空间局和NASA共同发射升空。到目前为止，已成功发回数据的“微波照相机”中，精确度最高，影响力最大的当属WMAP了。
WMAP的名字是这么一回事。在彭齐亚斯和威尔逊正为了鸟粪和鸽子窝而犯迷糊时，美国的天文学家威尔金森等人已经试图着手探测微波背景辐射了。得知彭齐亚斯和威尔逊发现天线有微波噪声的事情之后，威尔金森等人撰文指出，不用擦鸟粪掏鸽子窝了，噪声的来源不是它们，而是宇宙。1978年，彭齐亚斯和威尔逊被授予诺贝尔物理学奖，其中威尔金森等人的解释性工作功不可没。为了纪念威尔金森这位伟大先驱者，探测器就以他的名字命名。
WMAP是为了继它的前任COBE之后，以更高的精度来探测微波背景辐射的各向异性，所以叫做各向异性探测器。宇宙学家们认为，既然我们的宇宙已经形成了恒星、星系、星系团等结构，就说明宇宙小时候，物质的分布不是绝对均匀的。这里多一点点，那里少一点点，这样由于万有引力和宇宙膨胀的共同作用，才能形成宇宙今天的样子。既然微波背景辐射是宇宙小时候的第一张“照片”，那么这个原初的不均匀性就应该在照片上有所体现。也就是说，我们探测到的微波背景辐射应该是这里热一点点，那里冷一点点，否则，宇宙现在就不可能是这个样子。
1992年，COBE发回的数据证实，微波背景辐射确实存在各向异性，这个温度的涨落大约在十万分之五，正好符合宇宙学的预期。2006年，COBE小组领导人的斯穆特（Smoot）和马瑟（Mather）获得诺贝尔物理学奖。
COBE圆满的完成了任务，那么比它分辨率更高，灵敏度更高的WMAP又为我们带回了什么新的信息呢？故事讲到这儿，宇宙的邪恶轴心（axis of evil）要出场了。
四极矩、八极矩和邪恶轴心
2001年，WMAP上天，2003年，WMAP小组第一篇数据分析报告出炉了。2005年，2009年，随着WMAP数据的日积月累，WMAP小组又陆续发表了多篇分析报告。科学家们从WMAP小组发布的温度谱和功率谱中发现，CMB的各向异性大体上符合理论预期，但是四极矩和八极矩的数值偏低。而且，四极矩和八极矩的轴心几乎指向同一个方向：室女座（Virgo）。
和绝大多数信号一样，微波背景辐射的信号看起来也是杂乱无章，似乎毫无规律可言。为了分析它，物理学家将其中不同频率的部分“提取”出来，叫做球谐函数展开。球谐频率的高低用字母l表示，l=0时频率最低，叫做单极子（monopole）,l=1时叫偶极矩（dipole），然后是四极矩（quadrupole），八极矩（octopole），十六极矩（hexpole）……再往后就只能用l的大小来表示了。
在WMAP小组的数据分析中，l的数值至少分析到了1000以上。因此，四极矩算是其中的低频信号。八极矩的频率略高于四极矩，也属于低频信号。不确切的说，四极矩的信号应该是这两大片区域热一些，那两大片区域冷一些；而八极矩的信号就是这四小片区域热一些，那四小片区域冷一些。[见维基百科的动画]
每一组频率的信号的冷热交替都有特定的“对称轴”。不同频率的信号的轴心方向之间应该没有关联，你走你的阳关道，我走我的独木桥。可是在WMAP的数据分析结果当中，四极矩和八极矩串通起来给物理学家出难题，它们的振幅不但远远低于理论预期，还同时指向室女座。这看起来有些不可思议，仿佛宇宙学的各项同性假设被破坏了，宇宙中凭空多出来一个特殊方向。
更加邪恶的是，这个特殊方向所指的室女座方向，位于黄道面上。我们都知道地球绕着太阳转，如果以地球为参照系，也可以认为太阳绕着地球转，而黄道就是太阳的“公转轨道”。也就是说，一百多亿年前宇宙发出的“第一缕光”，就已经“预知”一百多亿年后，它所包含的万亿颗恒星当中，有一颗叫做“太阳”的恒星与众不同。“第一缕光”决定降低四极矩和八极矩的振幅，并使它们的轴心同“太阳”的轨道平面方向保持一致……于是，一群充满正义感的物理学家把这个现象叫做宇宙的邪恶轴心。
从宇宙学标准模型的意义上讲，发生这样事件的概率是1/24000，几乎没有可能发生。既然已经发生了，就要认认真真的找个理由来解释。这时，我想起高中做英语阅读理解时，有个同学很擅长解释答案的合理性。比如当他解释完为什么应该选A时，有人发现标准答案是B，于是，他马上就能解释为什么B比其他选项更合理。假如老师宣布答案印错了，应该是C，他又能列出一堆理由来解释选C的理由。后来我才明白，这位同学有研究理论物理的潜质！
物理学中的理论又有点儿像地球上的各种生物，千奇百怪层出不穷。等实验结果一出炉，99%的理论都“灭绝”了，只剩下少数理论还能勉强支撑。当人们逐渐发现，硕果仅存的理论仍然同进一步的实验结果有矛盾时，理论家们又在这些理论的基础上“培育”出具有不同“突变”的后代。于是，理论物理的生物圈又一次欣欣向荣，直到下一次“大灭绝”的来临。

（说明：古代物理学的理论大都灭绝了，例如亚里士多德的引力理论，地心说等等）

面对宇宙邪恶轴心的挑战，物理学家们大体上分为三派。第一派，是以WMAP小组的领导人Hinshaw为代表的哈哈派，在这个问题上含糊其辞，既不否定也不肯定，像是打哈哈说官话。这其实体现了他们谨慎的学术作风。第二派，是以Contalti和Longo等人为首的附和派。他们或者声称观察到300多个类星体围绕着邪恶轴心分布，或者说观察到1600多个旋涡星系的旋转轴也指向邪恶轴心。用来解释邪恶轴心存在原因的理论更加匪夷所思，例如说宇宙存在奇异的拓扑结构，或者说暴胀理论的原初密度扰动存在一种截断，或者干脆搬出弦论等重型武器……这多么像是在做英语的阅读理解啊！ 那么第三派的观点是什么呢？请看下集。
[1]：“第一缕光”通常指在经历了一段时期的“黑暗”之后，宇宙的第一批恒星所发出的（可见）光。本文所指的“第一缕光”的发出比第一批恒星诞生要早的多。
[2]：以上大部分图片来自维基百科。
[3]：cos提出的改正意见：“当年的理论解释的文章共4个作者，老板R. Dicke打头，理论解释的工作主要是Jim Peebles做得。Wilkinson和另外一个主要是做仪器的。所以不应该用“Wilkinson等人的文章”的提法。MAP以Wilkinson命名不是主要因为Wilkinson的先驱贡献，要说这个Dicke更有资格，因为DMR就是他最先设计发明的。MAP以Wilkinson命名的主要原因是Wilkinson在MAP上的核心地位，而且他耗尽心血，却偏偏在MAP出结果前去世。”
[4]：冷冻过的鱼指出了铁熔点不是1000K的错误。




批判派——WMAP小组的挑战者
宇宙的邪恶轴心究竟存在吗？以中科院李惕培院士，和他的学生刘浩博士为代表的批判派坚决说不。话说早在2003年，WMAP小组发布的第一篇数据分析报告一出炉，就引起了李惕培院士的怀疑。于是，当刘浩要报考他的博士生时，他对刘浩说，我很想重新分析WMAP的所有数据，你愿意跟我一起做这个工作吗？这将是一条艰难的道路。仅凭我们两个人的力量要跟踪WMAP整个小组各方面顶级专家的工作，风险实在是很大。即使数年之后我们成功了，一时半会也不会得到主流物理学界的认同。刘浩毫不犹豫的答应了。
刘浩发现，WMAP传回的数据并不是微波背景辐射的温度谱，而是两根夹角141°的天线产生的差分数据。差分数据是什么呢？打个比方，已知小朋友的平均身高是141厘米，要测量几个小朋友的身高分布。有一种办法是一个一个的直接测量，另一种办法是测得小明比小华高5厘米，小华比小龙矮3厘米，小龙比小强高7厘米……根据这样的差分数据，就能得到每个小朋友的原始身高。物理学的测量中经常采用这种差分的办法，这样可以省去不同条件下对实验仪器基准点的反复调试。
要想从WMAP测得的差分数据获得温度谱，还需要知道每一组差分数据对应的是天空中的哪两点。WMAP上有一个专门的时钟用来记录每组数据对应的时刻，还有一个时钟用来记录WMAP的运动状态。这样，刘浩需要自己编写一系列电脑程序，根据每一时刻WMAP的位置，速度和姿态，来确定每一组数据的归属。然后再由获得的时序数据（Time Ordered Data）产生微波背景辐射的温度谱。
功夫不负有心人，经过了五六年的艰苦研究，李惕培和刘浩等人发现，由他们自己编写的数据分析程序得到的温度谱和WMAP有所不同，其中最大的不同在于他们发现温度谱的四极矩几乎消失了，而八极矩也有显著的减弱。如果这个结果是对的话，至少解决了宇宙邪恶轴心的问题——四极矩真的消失了的话，那八极矩跟谁狼狈为奸呢？那么宇宙中就不应该存在特殊的方向，宇宙学的各项同性原理就得到了保护。
菲克森定律
不出李惕培院士的意料，这一结果并没有得到WMAP小组的支持。理由是除了WMAP小组，还有Planck小组和另外一组科学家曾独立分析过WMAP的差分数据，他们的结果和WMAP小组的结果完全相同。根据菲克森定律（英文拼写未知），李的小组获得的结果应该不可靠。菲克森定律是说，“一个理论物理学家所得到的结果往往只有他自己一个人相信”，而“一个实验物理学家所得到的结果往往只有他自己一个人不相信”。现在的情况并不符合“李惕培等人的结果只有他们自己不相信”，所以实在是不靠谱啊。
大家也许会觉得菲克森定律是在开玩笑，其实也是有一定道理。主流学术界奉行的是“同行评价”体系：同行说你靠谱，你就是靠谱；同行说你不靠谱，你就不靠谱。例如理论物理学界有个网站叫做预印本库，大家写出来论文可以先上传到那儿，供同行评价。如果有民科言论试图吸引大家的眼球，那么就像BBS一样很快会有管理人员停P删账号。广为流传的一个故事是，欧洲有个诺贝尔奖获得者由于发表民科言论，被禁止在预印本库上传论文……
在欧美等学术大国的同行看来，中国从来没发射过探测CMB的卫星，技术水平很落后。实验技术水平落后意味着科学学术水平的全面落后，因为第一手的数据掌握在外国人手里，就只能等老外吃完了肉之后喝点儿汤。也许还有一个原因就是，从中国频繁爆出的学术造假丑闻来看，其科学界有相当多的不靠谱因素。最后，就算你们中国小组所有的一切都靠谱，难道还会比我们集中了全球各领域百位顶级专家的WMAP小组、Planck小组还靠谱吗？
退一万步讲，即使中国小组的结果真的有可取之处，也不能轻易下结论。要知道这年头经济不景气，向纳税人要钱可是越来越困难了。一旦推翻了WMAP小组原来的结论，那么就意味着这7年来建立在这个结果上的一切科研成果都不可靠。纳税人知道了会很生气，后果很严重。万一给纳税人留下心理阴影，以后要钱更困难了怎么办呢？因此，本来WMAP小组曾经给予李惕培小组热情的帮助，但李惕培和刘浩公布自己的结果之后，WMAP小组的专家们就再也不回邮件了……
差之毫厘，谬以千里
如果是李惕培和刘浩错了怎么办？李惕培对此相当谦虚：错了没关系，算是给我们一个教训。我们国家早晚也是要有探测器上天的，如果我们确实犯了错，那么可以给后人提个醒，少走点儿弯路。
在同外国同行的学术交流中，李惕培也同样是这个态度。Planck小组的Freeman等人在Planck卫星传回数据之前，曾组织人手独立的复算了WMAP的结果，算是一次“学术演习”。李惕培问他，能否我们两个小组交换程序代码，互相检查一下哪儿有异常？Freeman回答，我们的程序不给你们看，因为我们肯定是对的。如果你们的程序给我看，我很愿意帮你们纠错。“那就给你看，欢迎你来纠错”，李惕培院士谦虚的说。
在长达数月的交流中，Freeman和李惕培的小组共同发现，他们用于分析WMAP数据的程序的功能几乎完全相同，除了一个用于分析探测器运动的四元数（Quaternion）程序（参加Fujia对四元数的介绍）存在极微小的差异。李惕培问：“你们的四元数程序是谁写的？”
Freeman：“我们……所有的程序都是自己写的。四元数程序是问WMAP的哥们要来的。”
李惕培：“那你们这个不应该算是独立完成。”
Freeman：“呃……”
分歧的原因变得更加明朗，就出在四元数的程序上。可是，两组四元数程序的差异非常小，只有WMAP分辨率的半个像素，为什么反映在微波背景辐射的温度谱上之后就变的显著了呢？
原来，四元数程序被工程物理学家用于分析WMAP在三维空间中的运动。由于多普勒效应，WMAP的运动会实时地在CMB的温度谱上叠加一个额外的偶极矩。也就是一个方向热一些，一个方向冷一些。计算实际的温度谱时应该完全扣除这个偶极矩。可由于CMB的温度太低，信号太弱，实际上这个偶极矩的噪声比CMB的信号强数十倍。因此，去除噪声时出现的微小误差，对于实际信号的影响会非常可观。
李惕培和刘浩顺着这个线索研究下去，发现了更加吃惊的结果。原来我们前文提到WMAP 的两个时钟竟然没有校准！两者相差了20多毫秒，这才导致差分数据和天空的对应差了半个像素。此外，WMAP的天线对于天空各个方向的扫描次数和得到的平均温度竟然存在相关性。由于太阳光过于强烈，WMAP的天线扫描天空时总是有意的避开它，以提高观测效率。因此，天线对黄道外的天空扫描的次数总是比黄道上多。假如扫描次数和得到的平均温度真的存在相关性的话，那么四极矩和八极矩的轴心指向黄道上的室女座就合情合理了。
分歧的原因终于变得清晰起来。李惕培和刘浩终于得出了结论：宇宙的邪恶轴心并不存在。温度谱的四极矩完全是由去除偶极矩噪声时产生的误差引起的。修正这个误差之后，四极矩在一定精度上应该完全消失，八极矩也有显著减弱。这意味着同标准宇宙学模型的理论预期相差更远，也许后者才是值得怀疑的地方。同时，根据李惕培和刘浩生成的WMAP的温度谱，暗能量和暗物质占宇宙总能量的比例也有改变。暗能量从WMAP小组所公布的74%下降到了68%，而暗物质从22%上升到了28%。他们在论文中声称，这个结果与WMAP小组的结果相比，同其他观测结果，如“飞镖”球载望远镜，重子振荡，Ia型超新星等符合的更好。因此，李惕培和刘浩对他们小组的结果充满了信心。
尾声
宇宙邪恶轴心的故事到此告一段落，结局会是什么，现在下结论还为时尚早。
李惕培和刘浩的论文上传到预印本库后，一开始并没有引起太多的关注。直到2010年2月的一次国际学术会议上，李惕培才得到和WMAP小组成员面对面的机会，但是WMAP小组的领导人Hinshaw并没有如期出现。跑得了和尚跑不了庙，在今年秋季即将举行的一次学术会议上，Hinshaw和李惕培同时名列邀请名单上。希望无论事情怎样发展，这次迟来的会面都将会带给我们不斐的收获。
Planck卫星传输回第一批数据之后，在互联网上发布了一张模糊的照片。刘浩把照片的颜色信息转换为温度后一比较，发现跟他们小组的结果吻合的很好[2]。这让他们更加坚定了信心。
Planck小组的研究人员知道这个消息后显得更加谨慎，他们并不支持在最终结果出炉之前发表任何评论。WMAP小组的结果遭到了挑战，使得Planck小组不得不格外小心。在这个科学问题上，他们既要成为评判两方观点的裁判，又要防止自己遭遇类似的挑战。因此，有人说看到Planck小组开组会时增强了安保工作：严禁组外友人打酱油，拉上全部窗帘，说话尽量放低声音。
在探索科学的道路上，谬误在所难免。谬误不是科学的终结！谬误，是科学的新生！
注[2]：也许吻合的好正是因为图片的模糊，笔者并没有具体考虑过这个问题。请参阅参考文献。
（已发表于《中国国家天文》，有删节）
参考文献[1]：李惕培院士的学术报告
[2]：'Axis of evil' a cause for cosmic concern, New Scientist
[3]：arXiv:1003.1073v2
[4]：PhysRevD, 69, 063516
[5]：（及图片来源）WMAP的官方网站
[6]：维基百科