【文╱吳俊輝(台灣大學物理系暨天文物理研究所教授,劍橋大學宇宙學博士)】

 

BICEP2團隊所觀測到在宇宙微波背景中所蘊藏的極微弱原生B模偏振,圖片的橫軸及縱軸為天球座標,以角度為單位。

這是一個諾貝爾獎級的重大發現,只要有第二個獨立的觀測團隊確認這項結果,獲得諾貝爾物理獎將如囊中取物一般容易。今年美東時間3月17日中午,BICEP2研究團隊在美國哈佛史密森尼天文物理中心召開記者會,宣布偵測到來自宇宙誕生初期之宇宙微波背景(CMB)的「原生B模偏振」(primordial B-mode polarization),不但讓人類對宇宙演化理論的信心一舉由原本的三十八萬歲階段,向前推進到宇宙初生大約一兆兆兆分之一秒的「暴脹」階段,同時也讓大家對愛因斯坦的廣義相對論再次肅然起敬。這幾天媒體報導聳動混亂,熱心網友也撰寫出不少無心為過的偽科學文,在此就讓我來嘗試說明清楚吧。還有,其官網重申,BICEP2不是任何英文的縮寫,就是個名字,英文的表面字義是「二頭肌」,其中的數字2則暗示其為該團隊系列計畫中的第二代。

 

《時間簡史》現代版

在大霹靂理論中,宇宙在誕生後大約一兆兆兆分之一秒時經歷了第一次的加速膨脹,稱為「暴脹」,歷時大約也是兆兆兆分之一秒,它讓暴脹子(inflaton)以及重力子(graviton,傳遞重力的粒子)透過量子擾動所產生的強弱變化凍結在空間中,分別稱為純量擾動及張量擾動,張量擾動和純量擾動的強度比值則稱為「R值」,R=0即表示沒有張量擾動。暴脹結束後,所有暴脹子轉換為今日大家所熟悉的物質形態,宇宙進入減速膨脹的階段,原本暴脹子的純量擾動演變為光子及一般物質密度的強弱變化,而重力子的張量擾動則形成重力波。宇宙在大約三十八萬歲時變為透明,由光子所組成的宇宙微波背景開始向四處輻射,是宇宙中最古老的光。在大約數億歲時,先前來自純量擾動的一般物質密度變化開始大量造就出恆星及星系。在大約七十億歲時,暗能量造成宇宙第二次的加速膨脹。宇宙至今約為138億歲。所以問題是,上述的故事中哪些是驗證過的?讓我們一起來看看。

 

熠熠生輝的研究榮耀

宇宙微波背景最早是在1965年由阿爾諾‧彭齊亞斯(Arno Penzias)和羅伯‧威爾森(Robert Wilson)發現,並於1978年獲得諾貝爾物理獎,因為那是宇宙誕生所留下之「餘溫」的證據,支持大霹靂理論而推翻了宇宙穩態膨脹理論。在1992年由約翰‧馬瑟(John Mather)和喬治‧斯穆特(George Smoot)所領導的COBE太空計畫確認了該餘溫的黑體輻射性質,並發現它具有隨觀測方向改變強弱的「異向性」,而在2006年獲得諾貝爾物理獎,因為該異向性是宇宙在三十八萬歲時即存在有純量擾動的證據,大力支持了暴脹理論。在1998年梭爾‧博爾馬特(Saul Perlmutter)、布萊恩‧施密特(Brian Schmidt)及亞當‧瑞斯(Adam Riess)所領導的兩個獨立團隊,不約而同地透過超新星觀測,發現宇宙正在加速膨脹,而在2011年獲得諾貝爾物理獎,該發現支持了暗能量存在的理論。如果你小心比較這些紀錄和前一段的宇宙史,你會發現尚有一個重要的理論關鍵尚未被發現,那就是由張量擾動所形成的重力波。

 

重力波與B模偏振

重力波是空間扭曲隨時間向四周傳遞的現象,廣義相對論預測,只要空間中的能量分布不均勻,就一定會有它。當重力波通過時,四周的空間會局部脹縮而扭曲,就像水波通過時水底影像會扭曲一樣。數百種暴脹模型中,大多都會產生重力波(即預測R>0),我們將這些早期宇宙中產生的重力波稱為「原生重力波」,以和目前宇宙中由黑洞或大質量雙星等機制所產生的重力波區隔。數十年來已有許多大型計畫嘗試直接偵測重力波,但目前仍一無所獲,因此大家才寄望能由宇宙微波背景中來找它的足跡,因為,原生重力波在宇宙三十八萬歲時,會讓宇宙微波背景產生出原生B模偏振!

 

 

【完整內容請見BBC知識國際中文版第32期(2014年4月號)。版權所有,轉載請註明出處。】

, , , ,
創作者介紹

《BBC知識》國際中文版

《BBC知識》 發表在 痞客邦 PIXNET 留言(0) 人氣()