【寰宇天文】郭兆林教授演講側寫-大霹靂的回音

■從古到今,人類為了探索宇宙的起源,嘗試了各式各樣的方法——宗教、神話、哲學,各有各的理論;而如今,科學家有辦法用科學方法找到解答。二〇一四年三月十七日,郭兆林教授與其團隊發表偵測到宇宙暴脹理論的直接證據——重力波。郭兆林教授於四月二日下午回到母校臺灣大學進行科普演講,分享其研究成果,帶領大眾一探宇宙誕生之初的奧秘。

Andromeda_gendler_sm
圖片來源|astrobites.org

撰文|李宛儒

宇宙,時空
地球在宇宙中,如同汪洋中的一條船,我們一起生活在這艘船上。在船上有食物有飲水,但人類不會安於這樣的生存,我們會問:這船從哪裡來,到哪裡去?汪洋中會發生什麼事情?這是每個人都會有的想法,也是為什麼我們要關心天文學、宇宙學。

宇宙非常大——比光速的尺度還大很多。愈遠的東西愈古老,秋天的時候,你可以看見三百萬年前的仙女座星雲,當時人類還是猿猴;再往前看,哈伯深場的光學照片中,十幾年前完成的哈伯望遠鏡捕捉到了百億年前星系所發出的光,這張照片中每一個光點,最後都會演化成幾千億顆恆星。如此浩瀚的宇宙是否有邊際呢?我們已經有了確切的答案:哈伯深場的這張照片就是宇宙的邊緣——他是時間的邊緣,在這之前,宇宙根本就還沒誕生。

如果測量這些照片裡的星系,將發現他們都在離我們遠去,而且距離我們愈遠的東西速度就愈快。所以我們知道宇宙在膨脹,鑲嵌其中的星系隨著空間的擴張而遠離。也因此我們知道,過去的宇宙是小的,被壓縮氣體溫度會升高,早期的宇宙便是處於這樣的高熱狀態。極高的能量使物質游離,形成不透明的電漿,也就是我們熟知的宇宙背景輻射(Cosmic Microwave Background, CMB)。CMB是環繞天空的火牆,也是用光學方法能看到宇宙最早的模樣。

hudfir_hst
哈伯深場影像(圖片來源|www.skylook.org)

宇宙誕生的一毫秒
物理是非常精密的科學,當我們徹底瞭解一項事物時,應該可以預測到百分之零點零零零一,而人類對宇宙的瞭解已經到了這個程度:如果給定宇宙誕生之後一個毫秒的初始條件,依照物理定律,他就會演化成現在的宇宙。事實上科學家所做的的理論模擬已能精確吻合真實的宇宙結構,我們對宇宙的瞭解,是非常驚人的。

過去二十年來,科學家對CMB已經有了非常透徹的瞭解:在這面火牆上,我們看到一些小小的密度起伏,這就是宇宙的初始狀態。密度起伏雖小,卻是現在宇宙中一切事物的種子;如果沒有這些密度起伏,如今的宇宙還是一堆均勻的氫原子。但是這個初始狀態是怎麼來的呢?在宇宙誕生的一毫秒間到底發生了什麼事?科學家相信宇宙的初始密度起伏與量子力學有關。這就是暴脹理論——解釋最一開始發生的事情。

如果視「光速乘以時間」的距離為地平線,地平線以內的東西是我們看得到的;而相距超過此距離的兩個區域無法做訊息交換,我們也無法觀測。暴脹理論是說:早期的宇宙經歷了非常高速的膨脹,讓原本在地平線以內的東西,膨脹到了地平線之外。這是一個超光速的分佈過程。當這些東西都還在地平線之內時,我們得以窺看早期的宇宙,隨後在一兆兆兆分之一秒內,宇宙就從原子等級變成了如太陽系般的大小。根據海森堡測不准原理,真空中的一個點仍會具有量子起伏。空間中的量子起伏在暴脹過程中造成密度分部及重力波,因此暴脹理論可說是將宇宙學與量子力學聯結在一起。

想要瞭解暴脹理論,那麼最早的光還不夠古老,CMB這面火牆把宇宙的早期全部擋住了。我們所看到CMB的光是宇宙年齡四十萬年的情況。只透過光,我們無法看到CMB之前的事情,因此我們需要其他媒介,也就是重力波。

1916年,愛因斯坦首先在廣義相對論中預測重力波,它與物質交互作用非常微弱,因此儘管CMB密度很高,重力波還是能穿過這些高溫高壓、不透明的物質。相對的,重力波也很難被直接測量,因此科學家選擇觀測重力波在CMB上留下的印記,CMB之後的時空是透明的,科學家可以用光學方法(微波)來觀測這些印記。

重力波觀測
雖然重力波的理論早在1916年就被提出,但到底重力波真的存在,或者只是空間座標轉換所造成的假象呢?其後四十年間,物理學家不斷對重力波的存在進行辯論,直到1957年,費曼才用一個簡單的實驗說服大家重力波的存在。九零年代末期,理論學家提出重力波會在CMB上造成非常明確的訊號——CMB上的偏極。

偏極分為同心圓般的E-mode和螺旋狀的B-mode,密度起伏只能造成E-mode偏極,而重力波的偏極兩種都有,因此只要能夠濾掉E-mode偏極,就能觀測到重力波。這樣的偏極雖然特別,量值卻非常小,只有三千萬分之一的差別,因此儀器必須非常精密。科學家做出的偵測器靈敏度幾乎已經到了極限,因此唯一的方法就是做很多個偵測器。為因應大量生產的需求,郭兆林教授的團隊將偵測器設計得像積體電路一樣,由許多微小、互相垂直的天線組成,將兩個方向的訊號相減,就能得到所需的資料。

偵測器本身是非常簡單的溫度計:電阻把微波輻射的訊號變成熱,造成微小的溫度差異,利用超導體電阻隨溫度改變而劇烈變化的特性來提升偵測器的靈敏度。觀測的地點選在南極,這裡海拔高達三千公尺,氣候穩定,寒冷的氣候讓大氣中的水氣全被凝結,少了水氣的干擾,非常適合做微波觀測。

為了做重力波的研究,科學家必須懂各方面的物理、數學知識,比如說要瞭解低溫物理,才能知道偵測器放在極低溫環境下的情況;為了研發積體電路的偵測器,他們也做了三年的電機工程。經過長久的努力,郭兆林教授的團隊看到了宇宙背景輻射上的B-mode偏振,百年前理論預測的重力波,終於被實驗證實。

「你是什麼樣的人不是由你的能力所定義,而是由你的選擇所定義。」郭兆林教授最後以鄧不利多講的這句話勉勵聽眾,引起哄堂大笑。

 

延伸閱讀:
回首宇宙暴脹來時路
大霹靂是真的!宇宙暴脹理論獲得觀測實證
發現重力波的方法及其深遠意涵
重力波:宇宙真的曾經暴脹
--

本文整理自:103/4/2下午由郭兆林老師在臺大凝態物理館所主講之「大霹靂的回音」的演講內容

責任編輯:Kerina Huang

4,808 人瀏覽過

發佈留言

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。 必填欄位標示為 *

為了避免你是機器人,請在留言前回答以下問題: