【科學史沙龍】半套雷達看懂宇宙？

■雷達 (RADAR) 這個英文字，倒過來看一樣是雷達，正好反映了雷達主動發出波之後，還要等反射回來，才能了解對方的原理。物理學家如何運用這個原理，探索宇宙的實相？

講者｜中央研究院地球科學研究所 趙丰研究員
撰文｜高英哲

在二十世紀初期，物理界有幾個懸而待決的問題：如何解釋觀測以太是否存在的邁克生－莫雷實驗 ( Michelson–Morley experiment) ？如何修正黑體輻射？原子光譜又是怎麼一回事？其實這幾個問題背後都是同一回事：電磁波的本質。任何溫度在絕對零度以上的物體，都會發出電磁波，這就是黑體輻射；至於在任何給定的溫度之下，黑體輻射的輻射率與頻率之間的關係，則由普朗克定律加以解釋。

從 1940 年代開始，物理學家開始揣想，黑體輻射能否用來解釋宇宙微波背景輻射 (CMB) ，並且紛紛提出預測值，從 50K 到 3K 都有（總歸來說，宇宙真的是一個非常冰冷的地方）。曾經在二戰時任職於麻省理工輻射實驗室的迪克 (Robert Dicke) 等人，更在 1960 年代提出宇宙微波背景輻射，就是大霹靂時殘留下來，年代最古老的光。然而他們這些理論物理學家預測歸預測，始終沒能真正觀測到有形有象的宇宙微波背景輻射，反倒是在貝爾電話公司服務的工程師彭齊亞斯 (Arno Penzias) 跟威爾遜 (Robert Wilson) ，為了排除接收通訊衛星訊號的天線，所收到來路不明但始終存在的背景噪音，意外發現了宇宙微波背景輻射，並且因此獲頒 1978 年的諾貝爾物理獎。

在地球上觀測宇宙微波背景輻射，必須要排除各種其他的輻射來源，所觀也僅侷限一地，因此 NASA 後來發射了專為探索宇宙論的宇宙背景探測者衛星 (COBE) ，在太空中對宇宙微波背景輻射進行精密的測量。主持這項計畫的斯穆特 (George Smoot) 跟馬瑟 (John C. Mather) ，因此成為 NASA 唯一獲頒諾貝爾物理獎的科學家。後來 NASA 再接再厲，在 2001 年發射威爾金森微波各向異性探測器 (WMAP) ，更精確地確認宇宙標準模型的各項參數；到了歐洲太空總署在 2009 年，發射普朗克探勘者號觀測衛星 (Planck Surveyor) 時，觀測的精確度又不可同日而語了。

雷達雖是戰爭需求的產物，不過也可以成為人類探索宇宙的利器。隨著雷達探勘技術的長足進步，人類對於宇宙穹蒼的認識，希望也能夠隨之更為提升。