2019年諾貝爾物理學獎得主——詹姆士.皮伯斯(James Peebles)

編譯|陳暉航(臺大物理系學生)

「宇宙。上下四方曰宇,往古來今曰宙。」,那麼宇是無垠,宙又是永恆嗎﹖現在我們知道,以大霹靂模型來說,宇宙存在起點,也就是宇宙有其年齡。宇宙學家皮伯斯從1960年代中期開始,為大霹靂、宇宙微波背景、暗物質、暗能量等做了眾多的理論架構,從而得以建造宇宙結構,為宇宙學奠定研究基礎,讓一個高度猜想性的領域成為一門精密的科學!

宇宙學的濫觴

1940年代,阿爾法(Ralph Alpher)、赫爾曼(Robert Herman)及伽莫夫(George Gamow)共同為大霹靂建立粗略的模型,其主要動機為解釋元素的起源。在1948年,伽莫夫提出在輻射的密度與物質的密度大約相等時,才能形成元素。同年,阿爾法和赫爾曼預測了宇宙背景輻射,其溫度大約為5K。然而這些工作並未引起大部分學者的關注。1965年的春天是宇宙學戲劇化的時刻,美國天文學家彭齊亞斯(Arnold Penzias)及威爾遜(Robert Wilson)無意間發現了宇宙背景輻射,起初以為是雜訊,後來確認為是對應微波波譜的宇宙背景輻射——稱宇宙微波背景。

而此同時,皮伯斯所在的狄克團隊更深入著手於宇宙初始的灼熱階段,以用來解釋宇宙微波背景。其中的關鍵點在於,溫度與物質密度的關係決定了多少氦能被製造。當宇宙溫度下降到一定程度,氘不再能結合成氦,而宇宙的密度越高,越多的氘能轉變成氦。這個想法不同於以往的觀念—重元素(比鈹重)也能被大霹靂製造,並被皮伯斯深入研究。這些由大霹靂形成的元素,其質量比例稱為原始物質豐度,以大霹靂模型計算得出—氫75%、氦25%、氘0.01%以及微量鋰,因與探測值大約相符,成為大霹靂重要證據。

同於1965年,皮伯斯一篇關鍵論文[1]引言說到,「星系形成的重要因素,可能蘊含於宇宙的黑體輻射。」這項工作被視為宇宙學步入精密科學的開始。

宇宙的第一道曙光——宇宙微波背景

在大霹靂38萬年後,宇宙溫度降為大約3000K,原子核和電子組成原子,使得光子脫離質子與電子形成之電漿,自由地穿越空間,而這些光殘留至今,其為溫度大約2.7K的微波。宇宙微波背景不只是宇宙的第一道曙光,也是探索宇宙的指引明燈,宇宙的許多特性及祕密蘊含其中。宇宙微波背景一個很重要的特徵為「各向異性」,說明了宇宙微波背景在不同地區存在著微小的溫度變化。在1982年,皮伯斯計算其溫度各向異性的值為5百萬分之一,與幾年後宇宙背景探測者(Cosmic Background Explorer, COBE)測量的值一致。

各向異性的主因之一,為宇宙早期光子—重子在電漿中碰撞產生的聲學震盪,為研究聲學震盪,皮伯斯用數值分析去預測和計算,什麼是能被測量的。在試過許多宇宙參數後,皮伯斯得以做出一個譜密度[2],其鋒值、位置等與普朗克衛星的測量非常吻合。

圖為普朗克衛星探測宇宙微波背景溫度的各向異性分布

 

宇宙的許多特徵就隱藏在圖中的峰值裡。奇數峰受到重子引力的影響;偶數峰則為輻射的反彈。第一峰值的角尺度決定了宇宙的曲率,其值說明了宇宙的曲率幾乎為零,也就是宇宙是平坦的。第一峰值與第二峰值的比值決定了重子(普通物質)佔宇宙物質密度的比例5%。而由於暗物質的特性,並不受輻射影響,因而提升第三峰值,由此分析出暗物質佔宇宙物質密度26%。進而得出暗能量佔69%。

宇宙學的瑰寶— ΛCDM模型

Λ是宇宙學常數,首先由愛因斯坦引入,使廣義相對論中的重力場方程存在靜態宇宙的解。但因哈伯發現宇宙正在膨脹,愛因斯坦將宇宙學常數視為「一生最大的錯誤」。而CDM是冷暗物質(Cold Dark Matter),冷暗物質相較於熱、溫暗物質其速度較慢。皮伯斯是首先考慮冷暗物質的非相對論性(速度遠小於光速)的人,並且藉由非相對論性冷暗物質,皮伯斯得以連結宇宙微波背景的各向異性與宇宙的大尺度結構,並於1982年預測出溫度各向異性的值。

接著在1984年,皮伯斯邁出關鍵的一步,重新引入被拋棄的宇宙學常數。當時的暴脹理論預測宇宙的質能密度為臨界值,使得宇宙是平坦的。但已知物質密度與臨界值差了許多,皮伯斯因此認為宇宙學常數應與缺失的能量(暗能量)有關,且暗能量能提供負壓,使宇宙加速膨脹。並且這個引入宇宙學常數的結構,只有與冷暗物質合作才能執行。藉由皮伯斯的兩個關鍵貢獻,宇宙學的標準模型完成於1984年。

1992年,難以捉摸的宇宙微波背景各向異性,被COBE探測到了。1998年,藉由la型超新星描述了宇宙的加速膨脹。對於這兩項突破性的發現,皮伯斯先前的理論架構工作功不可沒。雖然ΛCDM模型未能本質性地解釋暗物質及暗能量等,但作為一個參數化模型,ΛCDM依然是如今最能解釋宇宙微波背景、大尺度結構、宇宙加速膨脹的模型。不管未來發展如何,皮伯斯已經引領宇宙學走向正確的科學道路。

 

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編譯來源:
https://www.nobelprize.org/uploads/2019/10/advanced-physicsprize2019-3.pdf

參考資料:
[1]P.J.E. Peebles, The black-body radiation content of the Universe and the formation of galaxies, Astrophys. J. 142, 1317 (1965)
[2]P.J.E. Peebles and J.T. Yu, Primeval adiabatic perturbation in an expanding Universe, Astrophys. J. 162, 815 (1970)

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