專家評析:他們看到了宇宙開創時的脈搏

2014-03-23 07:09

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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。

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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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