化非常快，是非常关键的3分钟，这3分钟就是一次大-的过程。在大-开始后0.01秒的时候，温度是10的11次方K，即1000亿K。当时宇宙中的主要物质成分是处于热平衡状态的轻粒子。高温加高密的状态，导致宇宙必然要膨胀。随着宇宙的膨胀，温度不断下降。由0.01秒到1秒，仅仅1秒钟的时间，膨胀以后的温度降到10的10次方，即100亿K。到3分钟的时候，温度大约降到 10的9次方，即10亿K。这时候，由于温度降低，原始宇宙中的物质发生了聚合反应，出现了氢元素和氦元素，它们是构成我们宇宙的最主要的原材料。
当宇宙年龄到了大约38万年的时候，这又是一个关键的时刻。宇宙的温度降到了3000K左右，这时宇宙中带正电的原子核将俘获带负电的电子而成为中性原子，光子因不能与中性原子发生作用而遗留下来，成为保持发射黑体谱的宇宙背景辐射。此后，中性原子在引力的作用下逐步集聚起来，形成恒星、星系，并逐渐演化成我们今天的宇宙。
宇宙一直在膨胀，遗留下来的背景辐射的波长也随之不断在增长，到今天就增长到了微波的范围，因此我们叫它宇宙微波背景辐射。伽莫夫又指出，按照大-宇宙论，我们的宇宙在膨胀的同时，温度也在不断降低。降到现在，宇宙最边沿的温度，也就是我们所说的宇宙背景的温度，应该降到5K左右。5K是绝对温度5度，大约相当于摄氏温度－270度（－273°C＝0°K）。宇宙38万年时3000K的背景温度降到了今天的5K左右。这是伽莫夫的预言，
1965年，伽莫夫的预言就得到了证实。这一年，有两位贝尔实验室的年轻工程师彭齐亚斯和威尔逊，为了对射电源进行绝对测量，他们把一台卫星通讯接收设备改造为射电望远镜，并且千方百计努力提高测量的精度和降低系统的噪声温度，使天线温度测量值的误差达到了只有0.3K。就在他们无心观测宇宙微波背景辐射的时候，他们却意外的发现了宇宙微波背景辐射。因为当他们对射电源进行测量时，无论怎么测量，天线总是有大约3K的多余的温度。这多余的温度表现为各向同性分布，且不随观测时间、季节等因素而发生变化。将地球大气吸收、地面噪声等各方面的因素也都剔除了，这一点多余的温度再没有其他原因了，只能是来自宇宙背景的。他们将这个发现写成一篇只有600多字的、题目为《对天线温度的过热的测量》的论文投到《天体物理学》杂志上发表了。他们的发现轰动了天文界。科学家们相信，彭齐亚斯和威尔逊观测到的正是他们难以寻觅的宇宙微波背景辐射。这一意外发现有力地支持了大-宇宙学，两人因此获得了1978年度的诺贝尔物理学奖。
2. 宇宙微波背景辐射的两个特征
根据大-宇宙论，宇宙微波背景辐射应该具有两个明显的特征。第一个特征是，它应该具有很好的黑体谱，不同频率的光辐射能量密度分布都应表现为黑体谱形。第二个特征是，这种辐射仍有一点点各向异性，但这一点点各向异性非常微弱，也就是说温度的起伏非常小，因此很难被观测到。检验宇宙微波背景辐射是否同时具有以上两个特征，是对“热大-理论”的一个更加严格更加精确的检验。
自从1965年彭齐亚斯和威尔逊发现宇宙微波背景辐射之后，一批天文学家致力于进一步证认的工作。彭齐亚斯和威尔逊所发现的宇宙微波背景辐射只是在一种波长，即波长为7厘米上的观测结果。为了证实这种辐射是黑体谱，需要在70厘米到毫米波广阔的频段范围上进行测量。1965年12月，迪克小组的罗尔和威尔金森完成了在3.2厘米波段的测量，结果是3.0±0.5k。不久，豪威尔（T.F.Howell）和谢克沙夫特（J.R.Shakeshaft）在20.7cm上测得2.8±0.6K。随后彭齐亚斯与威尔逊在21.1厘米上测得3.2±1K。1975年，伯克利加州大学伍迪（D.P.Woody）领导的气球小组又得到从0.25厘米到0.06厘米波段的背景辐射，它们处于2.99K的分布曲线范围内。
总之，许多科学家使用不同的仪器，在不同的条件下，在各个不同波段上进行了测量，他们得到的观测结果与3K黑体分布的理论曲线是吻合的，说明微波背景辐射在各个波长处都表现为黑体谱。宇宙微波背景辐射的第一个特征得到了验证。但可惜的是，这是由许多人的观测结果拼凑起来的，而且更重要的是经过拼凑所得到的黑体谱是不完整的。
宇宙微波背景辐射的另外一个特征是具有各向异性。从20世纪60年代后期到70年代前期，人们对宇宙微波背景辐射一次又一次的观测，得到的结果都是背景辐射具有各向同性，无论将射电望远镜的天线对向天空的哪个方向，探测到的微波都具有相同的温度。这让天文学家们感到了欣慰，因为它说明这确实是一种宇宙效应，而非个别天体或者是个别区域的特殊现象。但是，同时，微波背景温度的过分均匀性又令天文学家们感到非常头痛，因为这不符合宇宙微波背景辐射的第二个特征。宇宙内部结构形成理论要求辐射背景有小的不规则性，正是这种微小差异导致了今天我们所看到的宇宙中的恒星和星系以及更大尺度的结构的形成。如果没有这微小的各向异性，那么宇宙中的物质可能均匀分布得像烂稀泥一样，就不会有像今天这样如此丰富多彩的宇宙了。
怎样才能检测出这小小的各向异性呢？这是一个不小的难题。
3.COBE卫星帮助马瑟和斯穆特解决难题
怎样才能得到宇宙微波背景辐射黑体谱的完整谱形？怎样才能检测出微乎其微的宇宙微波背景辐射的各向异性？马瑟和斯穆特领导的研究团组决心要解决这两个难题。
1974年，马瑟提议发射专门用于探索宇宙背景的卫星，“宇宙背景探测者”（Cosmic Background Explorer,简称COBE卫星），对微波背景进行探测。提议获得美国宇航局的批准。宇航局最初打算用航天飞机将COBE卫星送入太空。但1986年“挑战者”号失事后，航天飞机停飞数年，COBE卫星的前途莫测。为了能让COBE早日飞上天，马瑟和斯穆特与同事们专门争取到一枚火箭，最终于1989年11月将COBE卫星送入太空。马瑟作为COBE卫星科学项目的首席科学家自始至终领导和协调了COBE的观测以及对COBE观测资料的分析研究。
借助COBE卫星，马瑟领导的研究团组首次完成了对宇宙微波背景辐射的太空观测，精确地测量出宇宙微波背景辐射各个波长的黑体谱形。利用太空的有利条件，他们一次完成了各个波长上的测量。弥补了过去由许多人的观测结果拼凑出并不完整的黑体谱这一遗憾。他们对COBE卫星测量结果进行分析计算后发现，COBE卫星观测到的宇宙微波背景辐射谱与温度为2.74K的黑体辐射谱非常符合，与大-宇宙学所预言的结果非常一致。换句话说，他们更精确地验证了宇宙微波背景辐射的黑体谱形的特征。
在COBE卫星项目中，斯穆特主要负责测量微波背景辐射微小的温度波动。1977年，以斯穆特为首的天文学家小组曾经将灵敏辐射仪放置在U－2喷气飞机上，在大气层上面飞行，得到了关于背景辐射中温度变化的第一个证据，叫做“偶极各向异性”现象。天空的微波辐射在沿着地球运动的方向热一些，在反方向冷一些。这是由于地球随着太阳在宇宙当中向前穿行所产生的。我们的地球绕着太阳运行，太阳绕着银河系的中心转动，银河系在本星系群中运动，本星系群又朝室女座星系团运动。本星系群相对于宇宙微波背景辐射的运动速度是最快的。偶极各向异性是一种多普勒效应，并不是宇宙微波背景辐射本身的各向异性。
斯穆特在1977年观测的基础上，设计了一个叫做较差微波辐射计（Differential Microwave Radiometer,简称DMR）的特殊的精度更高的仪器，放置在COBE卫星上。DMR由3.3毫米、5.7毫米和9.6毫米三个不同射电波长的三个辐射计组成。在这三个波长上面宇宙微波背景辐射的强度大大高于其他波长的强度。斯穆特又为这个仪器设计了一对天线，使用这对天线去测量两个不同天区的温度差，能够测出1％的温度差，获得比其他辐射计精度更高的观测结果。
1992年4月，斯穆特激动地宣布了他们利用COBE卫星的观测结果——发现了期待已久的宇宙微波背景中的微弱的各向异性现象，这是在1亿光年大小的天区内的热的和冷的变化。这些区域内的温度变化相对于平均温度为2.74K的微波背景来说，变化幅度仅有百万分之六。这微弱的温度起伏是由引力起伏造成的，也就是由物质密度的不均匀造成的。
马瑟和斯穆特领导的团组利用COBE卫星所进行的观测和研究，更精确、也更全面地验证了宇宙微波背景辐射的两个特征，他们的工作使宇宙学的研究进入了一个更为精确的新时代。约翰·马瑟和乔治·斯穆特获得2006年诺贝尔物理学奖是当之无愧的。他们将于2006年12月10日赴斯得哥尔摩接受诺贝尔奖评审委员会对他们的颁奖。
图1 2006年10月3日诺贝尔奖评审委员会宣布了今年诺贝尔物理学奖的得主。
图2 2006年诺贝尔物理学奖获得者之一——约翰·马瑟。
图3 2006年诺贝尔物理学奖获得者之一——乔治·斯穆特。
图4 宇宙背景探测者——COBE卫星。
图5 COBE卫星获得的微波背景辐射谱特性与2.74K黑体谱非常符合。图中的黑点是观测值，淡蓝色的曲线是2.74K黑体的理论曲线。
图6 COBE卫星获得的宇宙背景微波辐射的图像。上图是偶极各向异性现象。中图是消除了多普勒效应后的图像，图中心的横条是来自银河系的微波辐射。下图是消除了银河系的辐射后所显示出的宇宙中的密度的起伏。
图7 COBE卫星获得的宇宙微波背景辐射的偶极现象图像。沿着地球运动的方向所观测到的微波背景辐射出现蓝移，温度较高，反方向的微波背景辐射出现红移，温度较低。
图8 消除了银河系的影响后所显示出的宇宙背景微波辐射的温度起伏。
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