Kieran O'Brien插图

从宇宙大爆炸到智慧生命，宇宙是如何形成的？这是一个问题，约翰·马瑟，美国宇航局戈达德航天飞行中心的高级天体物理学家和新项目的高级项目科学家詹姆斯·韦伯太空望远镜，用他的职业生涯试图回答。

由于他的开创性工作，马瑟和加利福尼亚大学的乔治·斯穆特因其在宇宙背景探测卫星（COBE）上的工作获得了2006年诺贝尔物理学奖，他们用COBE测量大爆炸的热辐射。

开始

马瑟1946年出生于弗吉尼亚州罗诺克，在新泽西州罗格斯大学的一个农业研究农场长大。来自一个科学家和教师的家庭，他回忆起自己从小就对科学产生了兴趣。从建造单管收音机到组装小型折射望远镜，再到用真空吸尘器组装科博会“机器人”（不幸的是，这种吸尘器从未工作过），他显示出了早期的天赋。他说：“我有很多机会学习科学，即使是在我们的农村环境中。”写的在他的诺贝尔奖传记中。

在斯沃斯莫尔学院（Swarthmore College）学习后，马瑟计划在普林斯顿大学（Princeton）完成他的研究生学业，但来自温暖西海岸的一位朋友的一点劝说帮助他改变了课程。他说：“我的一位朋友特德·张（Ted Chang）是我在阿森普顿学院（Assumption College）度过高中暑假的朋友，他给我发了一张照片，照片中他穿着短袖，坐在伯克利的喷泉上。”。“他给我寄了一份暑期工作申请表，我就去了。”

在那里，他与亨利·弗里希（Henry Frisch）一起在劳伦斯伯克利实验室（Lawrence Berkeley Laboratory）工作，为火花室开发控制电子学。当回到东海岸的时候，马瑟改变了主意，留在了伯克利。

正是在1970年，当马瑟在为他的论文寻找主题时，他对物理学家查尔斯·汤斯的一项提议产生了兴趣，他当时正在研究宇宙背景辐射，即在时间开始时产生的热量，这种热量仍在宇宙中弥漫。

宇宙背景辐射（简史）

宇宙背景辐射是1963年阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）首次发现的一种新发现的现象，他们最初试图绘制银河系的无线电信号图。

起初，彭齐亚斯和威尔逊认为他们的天线接收到了背景噪音，就像收音机上的静电干扰了他们的测量。他们发现这很令人费解，因为噪音可以从各个方向检测到，他们无法确定具体的来源。

在它被发现之前，有两种关于宇宙起源的著名理论。首先，宇宙是均匀的、静止的，并将永远保持这种状态。第二个更具争议性的观点是，宇宙正在膨胀，在遥远的过去，它的密度是无限的。我们所知的宇宙诞生于一次称为“大爆炸”的灾难性爆炸中。

大约在这个时候，普林斯顿大学物理学家罗伯特·迪克（Robert Dicke）提出了这样的理论：如果宇宙是根据大爆炸理论创建的，那么当宇宙向各个方向膨胀时，整个宇宙都会存在低水平的本底辐射。

彭齐亚斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）与迪克（Dicke）取得了联系，这两个小组证实了宇宙背景辐射的存在，证明了宇宙大爆炸的存在。彭齐亚斯和威尔逊因偶然发现而于1978年获得诺贝尔物理学奖。

挣扎着离开地面

除了提供宇宙大爆炸和膨胀宇宙的证据外，绘制和测量宇宙背景辐射的温度和波动将有助于科学家了解早期宇宙的更多信息，以及恒星、行星和星系是如何形成的。

马瑟和他的研究生同伴试图使用一种新开发的远红外光谱仪来实现这一目标。马瑟回忆道：“这是一场火洗礼的开始，在建造能够在偏远和敌对地区工作的仪器的艺术中。”。“这是一个学习几乎所有工程领域知识的机会，从机械到光学，从低温到电子学。我担心我的理解能力比实施能力更强，气球有效载荷上的天线在发射台上时脱落是真的。这是我的焊点t失败。幸运的是，该故障已被发现，有效载荷已成功发射。”

尝试在山顶上进行，然后使用气象气球将光谱仪发射到高层大气中。然而，这些策略被证明是不成功的，团队无法克服地球大气层的干扰。他哀叹道：“这是一种可怕的感觉，一种伴随我余生的感觉，也是一种学习不想学习的东西的方式。墨菲定律又一次被证明了。”。

他撰写了关于地基工作、光谱仪和气球设计的论文，并在纽约哥伦比亚大学戈达德空间研究所担任博士后研究员。

马瑟说，他曾希望进入一个新的研究领域，放弃对背景辐射的研究。但在1974年，美国国家航空航天局（NASA）发出呼吁，要求就即将到来的卫星任务提出建议。他说：“我的乐观情绪正在恢复，当帕特询问我的想法时，我欣然断言，我的论文实验在太空中的效果会更好。”。

COBE卫星收集的数据巩固了大爆炸理论

1976年，根据马瑟的提议，美国国家航空航天局开始推进宇宙背景探索者（COBE）任务，在该任务中，马瑟被任命为研究科学家。其目的是测量漫射辐射的光谱，并绘制其在天空中的分布图，以获得有关早期宇宙的新知识。

大爆炸理论认为，鉴于所有物质和能量都集中在一个点上，早期宇宙曾一度非常热，但在第一次爆炸及其随后的膨胀之后冷却下来。因此，这个时期的热辐射是一种化石证据。

这种热量在到达地球之前已经传播了数十亿年，导致其波长红移或延长到光谱的微波区域。科学家此前曾预测，到目前为止，辐射温度将降至约3开尔文。

在十年的时间里，马瑟带领一组科学家开发了最先进的仪器来测量这种辐射——宇宙中最古老的光。随着1989年卫星的发射，宇宙学领域发生了永久性的变化。

COBE能够测量宇宙背景辐射的光谱，这使得该团队能够确认理论预测的结果：它符合黑体曲线温度为2.735开尔文。

黑体是一种具有恒定温度的物体，可以吸收撞击它的所有辐射。要获得黑体光谱，物体必须是不透明的、非反射的和等温的。今天的宇宙并不是一个黑体，但在大爆炸之后不久，它是稠密、炽热和同质的。光不能自由移动，这就定义为一个吸光黑体。宇宙背景辐射是这一时期遗留下来的，精确地测量它有助于科学家奠定宇宙稳态模型的基础。

COBE还测量了小波动背景辐射强度，揭示了星系和恒星等天体形成的新数据。

这是一次艰难的旅程，马瑟概述了他和他的团队在最终将COBE送入轨道之前必须解决的挑战和技术问题诺贝尔演讲2006年给出。

虽然马瑟接受了这个奖项，但他坚定地倡导团队合作，以使这些发现成为可能。“我没有获得诺贝尔奖；我们获得诺贝尔奖。我所做的任何事情都是由很多很多人共同完成的，”他在2018年的NEAF演讲中说道。建造COBE卫星的团队包括大约1500人。

马瑟捐赠了奖金来创建一个奖学金项目，该项目支持美国国家航空航天局（NASA）和戈达德中心（Goddard Center）实习生的研究生奖学金和旅行补助金等项目。

詹姆斯·韦伯太空望远镜

自1995年以来，马瑟一直领导着世界上最先进的轨道望远镜的开发：詹姆斯·韦伯太空望远镜他说，这一直是他的“主要爱好”。

它将于本月底发射，这将是第一个用红外光谱成像宇宙的轨道望远镜，使科学家能够比以往任何时候都更深入地观察宇宙。

马瑟说，除了更好地了解恒星、行星和星系的诞生，寻找外星行星，探索宇宙只有1.5亿年历史的宇宙之外，韦伯无疑会带来新的、意想不到的发现。

“我很有信心会有惊喜，”他说，“这些都值得我们付出努力。”

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