科学家发现宇宙大爆炸的直接证据

来源:纽约时报中文网 | 发布: | 发布时间:2014-03-20,星期四 | 阅读:1,135
Dennis Overbye

Rick Friedman for The New York Times 古斯是最早提出宇宙膨胀论的物理学家之一。

美国马萨诸塞州坎布里奇——1979年的一个深夜,一位名叫阿伦·古斯(Alan Guth)的年轻物理学家还没入睡。他没有固定的职位,只有一个斯坦福大学给的为期一年的位置,不过他已有了一个最近生下来的儿子。这一夜,他是在笔记本 和方程式的陪伴下度过的,他进入了远远超出已知物理学的世界。

他在试图理解,为什么一直找不到某些奇异粒子的痕迹,这些粒子应该是宇宙大爆 炸时产生的。但他却发现了也许是最初引起宇宙爆炸的原因。在宇宙演化的假定过程中的一个潜在问题,也许能让空间本身具有一种特殊能量,给宇宙施加一种排斥 力,使宇宙在一个巨大的暴力瞬间,以比光速还快的速度膨胀。

Steffen Richter/Associated Press Bicep2望远镜(前),用以探测以微弱的螺旋图案呈现的涟漪,这些涟漪是证明宇宙在诞生时被猛烈地撕裂开的标志。

如果真是这样的话,宇宙的这种快速胀满有可能解释一些悖论,比如为什么从地球的 一极到另一极之间的天空,看上去是均匀的,而不是一片凹凸不平、扭曲的乱七八糟。这种快速的、像气球那样的膨胀,会拉平所有的皱纹和不平整。那些粒子不是 丢失了,而是被稀释到检测不到的程度,就好比吐在大洋中的口水。

“令人惊叹的认识”,古斯在笔记本页面的上方用大写字母写道,他还在这几个字的周围画了一个双线的框框。

周一,古斯的星际飞船进港了。无线电天文学家报告说,他们看到了宇宙大爆炸的开端,而且,他那个以平淡无奇的“膨胀”一词为名的假说,看来是正确的。

由 哈佛-史密森天体物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)的约翰·M·科瓦克(John M. Kovac)带领的一个天文学家小组,用南极的望远镜,跨越138亿年的时间,回到宇宙开始的第一时刻,在时空构成(即所谓的引力波)中探测到了涟漪,这 些涟漪是在宇宙年龄大约只有万亿分之万亿分之万亿分之一(10的负35次方)秒时,宇宙被猛烈地撕裂开的明显标志。科瓦克和他的同事们说,人们长期以来在 寻找这些涟漪,它们是膨胀的确凿证据,能够证明古斯的理论是正确的。

膨胀作为宇宙学的骨干理论已有35年了,但是,包括古斯在内的许多人都不知道该理论最终能否被证实。

如果能被他人独立确认,科瓦克等人的工作将成为科学上的一个里程碑,其地位与最近的其他发现相当,比如暗能量在推动的宇宙加速膨胀,或者宇宙大爆炸本身。这项工作将给科学和猜测打开时间、空间和能量的广阔领域。

证 实膨胀理论将意味着,虽然我们看到的宇宙空间可达140亿光年之遥,里面有数以千亿计的星系,它只是更大宇宙中极小的一部分,而更大宇宙的范围、结构,以 及命运都不可知。此外,在我们自己的宇宙之外,还可能有无数的其他宇宙永无止境地成长着,就像煮面条的水不停地溢出来那样。

“没有比这再大的了”

在我们自己的宇宙中,这个发现能为观察极高能量层次的作用力提供一个视窗,那种能量是地球上的粒子加速器永远也不可能达到的,从而对引力本身产生新的见解。科瓦克等人的涟漪会成为对引力波的首次直接观察,根据爱因斯坦的广义相对论,这种涟漪应该在时空中存在。

约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University)的马克·卡米奥库斯基(Marc Kamionkowski)是一位研究早期宇宙的专家,他不是那个天文学家团队的成员,他说,“意义太巨大了,没有比这再大的了。”

他接下来说,“这是来自最早宇宙的一个信号,是宇宙用引力波编码发来的电报。”

这些涟漪在浸透整个空间的微波辐射中以微弱的螺旋图案表现出来,保存了宇宙年龄为38万年、其温度与太阳表面温度一样时的照片。

科 瓦克和他的合作者们,周一在这里的天体物理中心,报告了他们名为Bicep(宇宙泛星系偏振背景成像[Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization])实验的结果,这些结果也作为一组论文投给了《天体物理学报》(The Astrophysical Journal)。

科瓦克说,这些结果是一种偶然的概率只有千万分之一。

现年67岁的古斯宣布自己“为之惊叹”,说没有指望在自己有生之年看到如此明确的证实。

“就观察自然而言,你需要有运气,”他说,“显然,我们一直都很有运气。”

这 些结果是从三年的观察和分析中提取出来的,一直在严格保密。因为担心泄密,科瓦克没有用电子邮件,而是亲自把论文草稿送到为数不多的几个人手里。科瓦克上 周在古斯的办公室里与后者见了面,古斯现在是麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的教授,(他的儿子拉里[Larry],就是1979年夜里睡着了的那个,如今也是麻省理工学院的教授)。

“这是一个非常特殊的时刻,作为科学家我们非常严肃地对待这一时刻,”科瓦克说,他选择措辞就像他照管自己的无线电望远镜那样小心翼翼。

斯 坦福大学的安德烈·林德(Andrei Linde)是一位多产的理论物理学家,他曾于1983年首次描述了一种最常见的膨胀形式,即所谓的“混沌膨胀”(chaotic inflation)。他正打算于上周去加勒比海度假的时候,科瓦克在斯坦福的同事郭兆林(Chao-Lin Kuo)敲开了他的家门,向他通报消息,还带来了一瓶香槟。

林德一开始没明白是怎么回事,他大声问太太,她是不是订购了香槟。

“然后我告诉他,一开始我们以为这是一个派送,但我们觉得我们没有订购任何东西,不过我只是忘了,实际上,我的确在30年前订了这东西,”林德在一封电子邮件中这样写道。

林德从荷属加勒比岛屿博内尔打来电话说,他仍然没有喘过气来,他说,“得到这样的消息是毁掉一个假期的最好方法。”

上周末,社交媒体上闹哄哄地传着看到了宇宙膨胀的谣言,消息开始传开,天体物理学家们对这条消息的反应既有欢喜,也有谨慎。

麻省理工学院的宇宙学家马克斯·特格马克(Max Tegmark)在一封电子信中写道,“我认为,如果这个发现的真实性能保持下去,它将是科学史上最重大的发现之一。”

芝 加哥大学(University of Chicago)的约翰·E·卡尔斯特罗姆(John E. Carlstrom)曾是科瓦克的导师,他领导着一个名为“南极望远镜”(South Pole Telescope)的竞争项目,他宣布自己对结果深为叹服,他说,“我觉得那些结果很漂亮,而且很令人信服。”

普林斯顿大学的保罗·J·斯坦哈特(Paul J. Steinhardt)是一个与膨胀理论竞争的模型的提出者,在他的模型中,大爆炸的发生是两个宇宙碰撞造成的。他说,如果科瓦克等人的发现是真的,Bicep的结果将会排除他的模型,但他表示对膨胀理论持保留意见。

亚 利桑那州立大学(Arizona State)的劳伦斯·M·克劳斯(Lawrence M. Krauss)及其他人也强调需要独立验证,他们指出,新结果超出了此前估计的范围,也超出了其他有关宇宙的假设,此前的估计是基于欧洲航天局 (European Space Agency)的普朗克卫星观测到的宇宙背景温度图。

克劳斯说,“所以在我们上蹦下跳之前,需要等着瞧瞧。”

独立验证可能在不久的未来就会出现。普朗克航天器今年将报告它自己的发现。而且至少有十几个团队在利用气球、山顶或空间的望远镜尝试着进行类似的观测活动。

天上的螺旋

引力波是迄今为止从宇宙微波中探查到的最新和最深的秘密,宇宙微波背景辐射是由贝尔实验室(Bell Labs)的阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)在上个世纪50年代意外发现的,他们因此获得了诺贝尔奖。

科 瓦克把他的整个学术生涯都花在试图读出这个背景辐射中的秘密上。他是Becip项目的四位负责人之一,该项目已经在南极运行了一系列越来越灵敏的无线电望 远镜,南极稀少和干燥的空气,为这种观测创造了理想条件。其他三位负责人是,明尼苏达大学(University of Minnesota)的克莱门特·普莱克(Clement Pryke)、加州理工学院(California Institute of Technology)的杰米·博克(Jamie Bock),以及斯坦福大学的郭兆林。

科瓦克说,“南极是在地面上,能让你最接近太空的地方。”他去南极已经23次了,他说,自从1994年在那里过冬后,“我和南极结下了不解之缘。”

2002年,他参加的一个团队发现,相关微波辐射具有偏振性,也就是说光波略为偏好在一个方向上振动,而不是另一个方向上。

该发现朝着探测来自膨胀的引力波的最终目标迈出了一步。这种引力波在传播过程中,在一个方向上挤压空间,在另一个方向上拉伸空间,从而会扭曲微波辐射的偏振方向,理论物理学家说。因此,天空中的偏振图上应该有形成螺旋状的小箭头。

探测那些螺旋需要测量宇宙微波辐射中极其微小的温度差别。科瓦克团队的Bicep2望远镜在本质上是一个巨大的超导温度计。

科瓦克说,“我们对能看到什么没有预期。”

信号的强度令研究人员吃惊,他们花了一年的时间用哈佛大学的一台超级计算机做了大量的计算,以确保他们的结果是正确的,同时他们担心竞争者会抢在前头出结果。

一个特殊时刻

数据把宇宙膨胀的开端追溯到一个特殊时刻,物理学家(比如35年前在自己家里熬夜的古斯)猜测,那个时刻是宇宙演化的一个特殊断点。

物理学家认为,自然界存在四种作用力:引力、电磁力、强核力及弱核力。但是很长时间以来,他们一直推测,这四种力只不过是一种唯一的统一力的不同表现而已,该统一力在宇宙最早、最热的时候统治着天地万物。

根据这个理论,随着宇宙变冷,它失去了完美性,好像一些古老的民间神话中神灵或兄弟闹翻了天。随着各种作用力从统一力中分离出来,物理定律随之演化而出。

这正是古斯出现的地方。

在某种情况下,一杯水在温度降到摄氏零度以下后,仍能保持液态,直到这种状态受到打搅,在那一刻,水会迅速冻成冰,释放出潜热。

类似地,宇宙也可能“过冷”,并且过长地处于一种统一状态。在那种情况下,空间本身会被灌满一种神秘的潜能量。

插入爱因斯坦的方程式中,这种潜能量可以起到某种反引力的作用,从而使宇宙自我爆炸。因为是空间本身提供了这种排斥力,爆炸产生的空间越多,宇宙把自己推开的力量就越大。

后来成为我们观察到的天地万物,在不到宇宙一眨眼的时间里,迅速增长了至少万亿的平方的倍数,从一个原始能量的亚显微斑点,变成一个西柚大小。

这种冲击几乎同样快地消退,张弛为普通的粒子和辐射。所有的宇宙历史篇章还有待开始,最终形成了如今观察到的宇宙,一片跨越几十亿光年之遥的星空。“人们常说,没有免费午餐这种事,”古斯喜欢这样说,“不过宇宙也许是终极的免费午餐。”

把 “免费午餐”一词变成复数吧。从古斯最初的预见形成的近百个模型中的大多数都提出,膨胀一旦开始,将会永远进行下去。即使我们自己的宇宙已进入了一个舒适 的缓慢膨胀阶段,其他的宇宙将继续爆炸,无穷无尽地派生出其它大气球,这就是所谓的多个宇宙(multiverse)的概念。

所以,宇宙的未来既光明又多产,但是别费神去问有关回到更深更远的过去的问题。

我们也许永远不会知道宇宙膨胀之前,也就是在最开始的时候,发生了什么,因为膨胀把之前发生的一切抹掉了。原始一刻所有的混沌和随机,被一扫而光,永远从我们的视野消失了。

哈佛-史密森中心的天文学家亚伯拉罕·勒布(Abraham Loeb)没有参加这项工作,他说,“如果你要追溯自己的宇宙根源的话,你只能回到膨胀发生的时刻。”

翻译:Cindy Hao



 

版权声明

文章编辑: ( 点击名字查看他发布的更多文章 )
文章标题:科学家发现宇宙大爆炸的直接证据
文章链接:http://ccdigs.com/51699.html

分类: 国际观察, 新闻视线, 科技新闻.
标签: , ,

发表评论