專家評析:他們看到了宇宙開創時的脈搏

2014年03月23日 07:09 風傳媒
宇宙爆炸理論甫提出就造成轟動(取自騰訊大家網)

宇宙爆炸理論甫提出就造成轟動(取自騰訊大家網)

一段科學競賽的散文

在距離地球一百五十萬公里的空曠寒冷的太空,有一個質點,如果我們將它放大,是一顆人類發射的航天器,它的角狀天線中藏有七十四個輻射計,全部指向宇宙最深處,背對著地球和太陽。這是歐洲航太署局五年前發射的最先進的航天器——Planck——已在兩年多前完成了主要觀測計畫,資料已經傳回地面。

事實上,經過既緊張又放鬆的分析和計算,兩百多位科學家已於去年三月份完成了對一半資料的科學解讀,發表了三十一篇論文。他們的結果讓全球天文學家和宇宙學家處於興奮之中。可是……他們對剩餘的一半資料的重視不夠讓他們錯失了本世紀最重要宇宙發現的首次發明權。

與此幾乎同時,南極,美國的科學考察站阿蒙森─史葛南極站,冰原上一個巨大的漏斗狀天線指向藍天。那裡,一群苦逼科學家在這裡已經工作了八年了——當然其餘夥伴是躲在舒適的北美辦公室裡的。第一代儀器在沒有做出驚人發現之後於2010年被第二代儀器取代。這是一台地面上能夠找到的最靈敏的儀器,它可以探測到低於一百納K的信號(一納K等於十的負九次方K,K是絕對溫度的刻度,又叫開爾文),它甚至武裝了「烏賊」,一種最先進的軟體,來説明解讀數據。第二代輻射計用了兩年時間觀測和收集資料,比Planck晚了一年。

但與這台巨無霸有關的科學家看上去比歐洲人更加用功,因為他們知道,他們的資料與Planck無法相比,不論以量論還是以質論。他們清醒地認識到擺在面前的是什麼,那就是本世紀以來最重要的宇宙學發現。所以他們更用功,也許因為他們更有經驗,於是他們在2014年3月17號,做好了宣佈重大發現的準備。

這個發現就是,他們探測到了宇宙在最初一霎那脈動留下來的遺跡,體現為宇宙背景光子的渦旋。

以上是一段描寫緊張而激烈的科學競賽的散文。

一章勵志故事的小說


如果用小說體裁,故事應該這麼展開:

三十二歲的阿倫.古斯看去上已經不年輕了,很像後來出現在《生活大爆炸》電視系列裡面的謝耳朵,典型的書呆子,極客(geek,科技怪咖)。他已經做了八年博士後,研究工作不能以出色來形容,但還是處於一線的,因此在離開麻省理工之後,他經歷過普林斯頓、哥倫比亞,現在落腳在康奈爾大學,依然做博士後。在找到永久教職之前,他還缺乏一個重量級的科學想法。

就在不久前,他在康納爾聆聽了一位來自普林斯頓大學的著名教授的研究,這個科學想法在他的大腦中落下了種子。

播種的人叫迪基,一位有著各種成就的天文學學家,儀器設計家。他設計了著名的迪基輻射計,但更加著名的是,他在1964年錯過了發現宇宙微波背景輻射,這種宇宙大爆炸在宇宙只有三十八歲時留下來的遺跡。發現者是更加年輕的,基本不懂宇宙學的彭齊亞斯和威爾遜,他們的發現讓他們在1978年獲得諾貝爾物理學獎。而迪基留下來的是一句名言:「我們被搶先了。」

無論如何,迪基在康奈爾的演講有著非同尋常的意義,也許不亞於他本人的任何科學發現:這個演講啟發了大齡青年古斯,讓他發明了宇宙暴漲論。

古斯將這個想法帶到不同的會場,激發了很多同行的想像力和熱情。因為,在此之前幾乎沒有人想過宇宙大爆炸為什麼會發生,沒有人想過宇宙為什麼在數億光年的尺度看上去很均勻,沒有人想過為什麼微波背景輻射的溫度在天上的每個角度都一樣。

古斯想了,而且還想出了一個解釋,或者關於宇宙的故事。這個故事是這樣的:

宇宙在最初的一暫態大約有十釐米,只存在了一億億億億分之一秒,或者類似的一個極短時間。宇宙的尺寸大得與這個極短時間不相稱。古斯說,不要緊,在這個一瞬之前,宇宙經過了一個驚人的膨脹,現在被稱為暴漲。在這個一瞬之中,宇宙在某種邪門的能量驅動下暴漲了一百億億億倍,我說的是線性尺度,即在空間的三個方向上都增大了這麼大倍數。這數目非常大,大約是十公斤物質中所含的原子數目。換個角度看,如果我們將質子的直徑放大一百億億億倍,質子就變成了以太陽為球心恰好能包住地球繞太陽軌道的一個巨大的球體。

因為宇宙暴漲了一百億億億倍,所以宇宙在各個方向都十分均勻,看上去沒有區別。也因為宇宙從十億億億分之一釐米成長到十釐米,宇宙今後就可能繼續膨脹到一個巨大的尺度,也就是今天的直徑大約八百億光年的巨無霸。

古斯在晃悠了不到兩年後,將論文發表了,他也收穫了巨大的名聲。這樣,他的母校麻省理工給他送來了好消息:請回到母校執教吧。於是,古斯就回到了美國劍橋鎮,一待就是三十四年。

2005年,他獲得《波士頓環球報》的最髒亂辦公室獎。這個獎每次只獎給一個人,可見他的辦公室亂到什麼程度。順便提一下,2013年,就是這家《波士頓環球報》被紐約時報賣了,這個事件曾經被當成傳統媒體衰敗的案例來宣傳。

成名多年後,一家出版社邀請古斯寫一本科普書。他在西方的理論物理學界和宇宙學界名氣確實很大,出版社很看好他的書。這件事我在1993年,最晚1994年就聽說了。故事還說,出版商預付了他一百萬美元的稿費,他將錢用來在麻省劍橋買了一個大房子,卻遲遲不動手寫書。到了我離開羅德島兩年後,也就是1998年,他的書才終於出版,書名為《暴漲宇宙——追尋宇宙起源的新理論》。我不知道這本書賣得好不好,出版商有沒有將預付稿費賺回來。反正,這本書現在在英文亞馬遜的排名可不高,只有七萬多名。相比之下,霍金的《時間簡史》是三千多名,霍金的書還早出了十年。

現在,他仍然看著像個極客,六十七歲的老極客。而美國人在南極的新發現,極有可能為他帶來諾貝爾物理學獎。如果我們樂觀一點,他的獲獎年份也許是2015年,不會晚於2016年。

以上,就是一個勵志小說。

一則關於宇宙暴漲論的科學

關於科學,我們敘述如下:

古斯的暴漲理論提出一年左右,包括古斯本人以及霍金在內的物理學家指出,宇宙暴漲論正好可以解釋宇宙中結構的產生,例如所有星系形成之前的種子來源於暴漲時期的量子漲落。那個微小到只有十萬分之一的漲落後來被萬有引力放大,開始出現恒星和星系。甚至,六十年代就發現的宇宙微波背景輻射也不完全是均勻的,在天空不同的方向上應該有大約二十微K的漲落。這麼小的溫度,即使在地球最好的低溫設備中也很難達到。可是,天文學家從上世紀九十年代開始,就觀測到了這些漲落,從而部分驗證了暴漲論的預言。

為什麼說只是部分驗證了暴漲論?因為,在暴漲論之外,物理學家還發明了奇奇怪怪的其他理論,也能解釋天文學家根據暴漲論去觀測到的溫度漲落,包括溫度與天空兩個方向之間角度的關係。我們知道,微波背景輻射就是光子,光子除了有一定頻率,還有偏振。光子的偏振是否帶有暴漲論的特徵呢?理論家告訴我們,確實如此。在暴漲時期,不僅能量有量子漲落,萬有引力本身也有量子漲落,也就是引力波。所有這些漲落在暴漲結束後會直接影響宇宙中的熱粒子,包括光子。宇宙學家計算得到,暴漲時期產生的引力波導致光子的極化在天空上產生渦旋:也就是說,如果我們順著極化畫出一條一條線,會出現類似水面漩渦的圖案。

但這種圖案十分難以觀測,因為與溫度漲落相比,渦旋漲落只有不到百分之一,需要極端靈敏的輻射計。如果說溫度漲落只有二十微K,那麼渦旋漲落只有一百納K左右(一納K=十的負九次方K)。美國在南極的這項實驗不過是很多類似實驗中的一個,集中了十二家大學的力量。他們是第二次做這樣的實驗了,上一次沒有成功,第二次實驗將靈敏度提高了大約十倍,他們的儀器靈敏度達到了八十七納K,他們甚至用上了最先進的「烏賊」——量子擾動超導探測器。終於,他們在宇宙暴漲論預言的夾角,也就大約一秒的地方,看到了如此微小的渦旋漲落。

實驗積累了從2010年到2012年的資料,換句話後,科學家們用了一年的時間從大量的資料中分析出了宇宙原始引力波在微波背景輻射上留下的渦旋。全世界造價最高、靈敏度最高的輻射計是歐洲發射到距離地球一百五十萬公里的Planck衛星,他們在2011年年底就收集齊了資料,大約一年前公佈了第一個結果。可惜,他們雖然比美國人早了一年收集好了資料,卻沒有完成對渦旋漲落的分析。在最近十年最重要的宇宙發現競賽中,歐洲人贏在了起點,輸在了終點。宇宙暴漲以及引力波的第一個證據是美國人發現的。

眼下,美國人的歐洲同行耳邊一定迴響著迪基的名言:「我們被搶先了。」

編者注:關於古斯及宇宙暴漲理論



阿倫.哈威.古斯(Alan Harvey Guth,1947年2月27日-),美國理論物理學家、宇宙學家,麻省理工學院教授,宇宙學中暴漲模型的創立者。1979年12月,正在斯坦福大學工作的古斯形成了有關暴漲的思想,認為宇宙在極早期經歷了一個短期的加速膨脹階段,並發現視界問題和觀測不到磁單極的問題都能夠通過暴漲得以解決。他把這個思想稱為「驚人的悟覺」,而一經提出就在宇宙學界引起巨大轟動。

*作者為理論物理學家,專業研究領域為超弦理論、宇宙學和粒子物理(原文刊載於騰訊大家網http://dajia.qq.com/blog/390783093568487,責任編輯:代金鳳)

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