物理群星
阿诺·彭齐亚斯 肖像

图:Kartik J,约 2007 / Wikimedia Commons / CC BY-SA 2.5

阿诺·彭齐亚斯

Arno Allan Penzias

1933–2024 · 生于德国慕尼黑 · 美国

天体与宇宙学

六岁被一列儿童专列送出纳粹德国,二十五年后在新泽西的一台天线上,听见了宇宙一百三十八亿年前留下的余温

「对于观测到的多余噪声温度,一个可能的解释是迪克、皮布尔斯、罗尔与威尔金森在本期同刊另一封通信中给出的那个。」

—— 彭齐亚斯与威尔逊 1965 年那篇论文里唯一一句涉及解释的话,据英文原文译

1939 年春天,六岁的阿诺·彭齐亚斯和五岁的弟弟被父母送上一列开往英国的火车。那是「儿童运输」——纳粹德国准许犹太儿童单独离境的最后几个月。母亲在站台上交待的话他记了一辈子:照顾好弟弟。

父母后来也逃了出来,一家人 1940 年在纽约布朗克斯团聚。二十五年后,他在新泽西的一片草地上,听到了宇宙最古老的声音。

一台为卫星造的天线

1961 年他进贝尔实验室,那里有一台喇叭形的巨大天线,原本是为回声卫星通信造的:那颗卫星只是一只镀铝的气球,信号极弱,所以天线必须做得极干净——旁瓣小、地面辐射漏进来少、噪声温度低。卫星通信很快改用了别的方案,天线闲了下来。

1963 年,三十岁的彭齐亚斯与刚来的威尔逊接手了它,打算用它做射电天文。第一步是把天线本身的噪声标定清楚:要测天上的弱信号,得先知道自家的底噪有多少。

去不掉的那 3.5 度

底噪比预计高出约 3.5 开尔文,而且怎么都去不掉。

这一年他们把能想的都试了:换接头、拆开喇叭口的铆接缝贴上铝胶带、测大气随高度角的变化、把天线指向纽约市方向看城市噪声、检查 1962 年核试验的残留。他们还发现喇叭口里住着一对鸽子,留下了一层被彭齐亚斯后来称作「白色介电物质」的东西——他们清理干净、把鸽子送走(鸽子飞了回来),噪声一点没少。

关键的特征不是数值,而是这片噪声的性质:各个方向都一样,白天黑夜一样,一年四季一样。任何地面的、大气的、银河系的来源都不该是这样。

一通电话

1965 年初,经过几道转述,他得知普林斯顿有一个小组正在做同一件事:迪克、皮布尔斯、罗尔与威尔金森认为,如果宇宙起于一次高温高密的状态,今天应当留下一片几开尔文的微波余辉,他们正在造一台天线去找它。

迪克接完电话对组里说了一句:伙计们,我们被抢先了。

两篇论文并排发表在《天体物理学杂志》上。普林斯顿那篇讲解释,彭齐亚斯与威尔逊那篇只报告测量,通篇不提「大爆炸」三个字,只在末尾指向隔壁那篇可能的解释——一种极度克制、也极度聪明的写法:数据是我们的,解释归你们。

那一点去不掉的噪声,是宇宙三十八万岁时最后一次散射的光,被膨胀拉长了一千倍波长之后落到新泽西的这台天线上。稳恒态宇宙学没有位置放它。

后来

他并没有就此转行做宇宙学。1970 年他与威尔逊、杰弗茨在猎户座星云里测到了一氧化碳的转动谱线——这条 2.6 毫米的线此后成了寻找分子云、也就是寻找恒星诞生地的标准工具。

1978 年他与威尔逊共获诺贝尔物理学奖。1981 年起他做了十五年贝尔实验室的研究副总裁,管的是一家企业实验室怎么继续养得起基础研究这件难事。

2024 年 1 月 22 日,他因阿尔茨海默病的并发症去世,九十岁。那台喇叭天线还在新泽西的山坡上,被列为美国国家历史地标。

代表方程

那篇论文里唯一的数字

T余温=3.5±1.0 K(λ=7.35 cm, 1965)T_{\text{余温}} = 3.5 \pm 1.0\ \mathrm{K} \quad (\lambda = 7.35\ \mathrm{cm},\ 1965)

1965 年那篇只有六百多个词的论文,通篇不提宇宙学,只报告一件事:在 4080 兆赫上,天线收到的温度比一切已知来源的总和多出 3.5±1.03.5 \pm 1.0 开尔文,而且各个方向一样、一年四季不变。今天这个数被测到了小数点后第五位:2.72548 K2.72548\ \mathrm{K}。

全宇宙最完美的黑体

Bν(T)=2hν3c2 1ehν/kBT−1λmax⁡≈1.06 mm\begin{aligned} B_\nu(T) &= \frac{2h\nu^3}{c^2}\,\frac{1}{e^{h\nu/k_BT}-1} \\ \lambda_{\max} &\approx 1.06\ \mathrm{mm} \end{aligned}

这片辐射的能谱是一条标准的普朗克曲线,峰值在约 1 毫米的微波段。1990 年 COBE 卫星量出的谱与理论曲线的偏差不到峰值的百分之一,1996 年用全部数据再算,压到了百万分之五十以下——它是人类测到过的最接近理想黑体的东西。原因在于它来自宇宙 38 万岁时那锅完全热平衡的等离子体:光子在那一刻最后一次散射,此后自由飞行至今,只是被膨胀拉长了波长。

伟大发现