2007/06/07吳建宏｜中央研究院物理研究所 資料來源 :《科學發展》2007年，414期

由於在最後散射面之前的宇宙是處於熱平衡狀態，它的熱幅射光譜是一個黑體輻射的分布，因此在最後散射面之後，宇宙背景輻射的光譜仍是一個黑體輻射的分布。因為經過140億年的宇宙膨脹，宇宙背景輻射除了冷卻成為微波輻射外，它的本質不曾有所改變，所以今天我們探測到的宇宙微波背景輻射，可以讓我們直接觀察140億年前宇宙的模樣，從而窺探宇宙誕生約38萬年後的初期狀況。

諾貝爾的榮耀：宇宙背景探索者

1989年，美國航空暨太空總署位於馬里蘭州的戈達德太空飛行中心，發射宇宙背景探索者（COBE）衛星，衛星上酬載了3個當時靈敏度最高的科學儀器，包括「散狀紅外線背景實驗儀（DIRBE）」、「微差微波射電儀（DMR）」和「遠紅外線絕對光譜儀（FIRAS）」。散狀紅外線背景實驗儀負責尋找宇宙紅外線背景輻射，微差微波射電儀描繪整個宇宙的微波背景輻射，遠紅外線絕對光譜儀則用來測量宇宙微波背景輻射的光譜，同時與黑體輻射比對。遠紅外線絕對光譜儀首次測量宇宙微波背景輻射的溫度準確到小數後三位，大約是2.725Ｋ，並且證明宇宙微波背景輻射的光譜的確是一個幾近完美的黑體輻射，與大霹靂理論的預期非常一致。1992年初，微差微波射電儀測量到宇宙微波背景輻射的溫度各向異性，亦即在不同方向的微波輻射溫度有非常細微的差異。微差微波射電儀把微波天空（microwave sky）分割成好幾千個像素，然後分別去量每個像素的溫度，發現有幾十萬分之一度的差異。微差微波射電儀的研究成果又給予大霹靂理論一強力的支持，使我們能對宇宙誕生約38萬年後的初期階段進行觀測，有助於了解星系形成的過程。現年61歲的馬德爾（J. Mather）服務於美國航空暨太空總署的戈達德太空飛行中心，62歲的史穆特（G. Smoot）則任職於加州大學柏克萊分校的勞倫斯柏克萊國家實驗室。當年，馬德爾負責宇宙背景探索者衛星整體計畫的協調，專精天文物理學的史穆特則是測量宇宙微波背景輻射各向異性的微差微波射電儀計畫主持人。

瑞典皇家科學院表示，馬德爾與史穆特獲獎的原因是發現宇宙微波背景輻射的黑體輻射本質，並且，他們根據微差微波射電儀取得的測量數據，觀察宇宙誕生約38萬年後的初期階段狀況，他們偵測到的宇宙微波背景輻射的各向異性，也有助於證明星系形成的過程。 諾貝爾物理學獎評審委員會主席卡爾森表示，馬德爾與史穆特兩人並未證實大霹靂理論，但提出非常強烈的支持證據，是本世紀最偉大的發現之一，提升我們對所生存宇宙的了解。 瑞典皇家科學院又表示，藉由確證大霹靂理論的預測，並佐以直接的量化證據，兩位科學家把初期宇宙的研究，從大量的理論探究，轉型進入直接觀察與測量的新紀元。科學院的頌詞說：「兩位得獎者從宇宙背景探索者衛星的大量觀測數據，進行非常詳盡的分析，在現代宇宙學演進為精確科學的發展上扮演了重大的角色。」

不只是輻射：重力紅移的佐證

廣義相對論最重要的預測之一是「重力紅移」，它把重力場與能量兩者關聯在一起。當我們爬上樓梯的時候，會覺得很費力氣，這是因為我們身體不停地背著地球的重力場作功，增加我們的位能。換句話說，要增加重力位能，我們得消耗體力。同樣的道理，當我們向天頂發射一束白光，往上前進的光子能量會漸漸減少，也就是光子的頻率會降低。光子跑得越高，頻率降得越低，就會使得光束的顏色稍微偏向紅色，這種現象叫作重力紅移。白矮星重力場的重力紅移效應，早在廣義相對論提出之後不久就被觀測到了，此後科學家相繼在太陽及地球的重力場測量到重力紅移效應。

利用各式各樣大型天文望遠鏡測量星系的分布，人類逐漸開始了解宇宙的結構。整個宇宙由數以億萬計的星系組成，它們大致平均分布於宇宙中。但許多星系密集聚成星系團，形成星系團間的大尺度結構，它們的存在使我們對宇宙單純的看法變得更複雜，迄今我們對宇宙結構的起源仍然只是一知半解。