用「二頭肌」撬開諾貝爾獎大門－《BBC知識》國際中文版

【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！