分享本文至 E-mail 信箱

學術引用格式

MLA (點一下全選)

APA (點一下全選)

EndNote(.enw)

用「二頭肌」撬開諾貝爾獎大門

作者:吳俊輝/台灣大學物理系暨天文物理所教授,劍橋大學宇宙學博士。

f_506893_1

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,宇宙目前所有物質的原始態)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(如LIGO、GEO、VIRGO、LISA等),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!

宇宙微波背景就是宇宙古老光,而光是一種電磁波,傳遞過程中會有電磁振盪的現象,依其幾何形式有幾種不同的描述法,宇宙學中常將該振盪分為B模及E模偏振,B模如同旋向式,而E模如同放射式。宇宙微波背景異向性在三十八萬歲產生時,E模偏振即會伴隨而生,強度約為宇宙微波背景本身的百萬分之一,該訊號的約十分之一會再透過之後的重力透鏡效應(註:Gravitational Lensing Effect,宇宙中的星光有時會莫名偏折,造成所攝得的影像扭曲,這極可能是受到暗物質團塊的重力偏折,就像光在通過透鏡時會發生偏折一樣。)轉換為B模偏振,此等E模及B模的訊號最強尺度都在大約 0.1 度。反觀由暴脹產生的原生重力波所造成的B模偏振,其強度則為宇宙微波背景本身的千萬分之一以下,和R值成比例,最強尺度大約在 2 度,這種原生B模和前述的晚期B模來源及產出時間都不同。E模偏振在近十年來已被多個計畫偵測到,包括我於 2007 年所領導發表的 MAXIPOL 成果,人們並不意外,因為如果沒有E模偏振,相對論及電磁學都將面臨危機。B模偏振在去年即被南極望遠鏡(SPT)偵測到,但他們看到的不是原生B模,而是在 0.1 度上的晚期B模。

諾貝爾獎近在咫尺

這次 BICEP2 採用超導技術,將偵測元件保持在只有高科技才能達到的 0.25 K 極低溫環境下,而偵測到B模偏振在2度尺度上有明顯的峰值,其他特徵也和暴脹理論所預測的完全吻合,R值高達 0.2,因此可說是在建構宇宙演化藍圖的觀測驗證中,補上一大塊遺漏的拼圖,提供了有史以來唯一的重力波證據,讓相對論的驗證變得完備。目前世界上已有十多個類似的計畫在進行著,只要再有一個計畫獲得相同的結果(例如年底可能發布的普朗克新結果、SPT、Polarbear、ACT等), 則獲獎將指日可待。目前有可能因此獲獎的包括在1970年代末期提出暴脹理論的艾倫‧古斯(Alan Guth)和安德烈‧林德(Andrei Linde),以及BICEP2的四位領導人約翰‧科瓦克(John Kovac)、克萊‧普萊克(Clem Pryke)、傑米‧巴克(Jamie Bock)和台灣籍的郭兆林。因此有人笑說,這對霍金教授來說或許是個壞消息,因為在等待得獎的隊伍中似乎有人插隊了!話說回來,由於諾貝爾獎一次只能頒給三個人,所以這下子諾貝爾獎委員會的委員們也將要傷腦筋了。

台灣之光伯樂難尋?

該團隊幾乎清一色為美國人,而郭教授為唯一的台灣籍,負責設計該儀器的偵測器,其重要性如同人的心臟一般。他是我熟識多年的朋友、學弟及研究夥伴,此次的成功我完全不意外也為他感到非常高興。只是這又讓人想起近六年來的無奈,在 2008 年初他初至史丹佛大學任教時,由於我們屬同一研究領域又專長互補,便開始研擬合作計畫,無奈同樣一份計畫雖讓他在美國接二連三獲得大型補助,而在台灣卻被當時的國科會及台大先後拒絕,我甚至透過扶輪社的場合前進到某光電產業上市公司董事長的家中,在近午夜時為他進行簡報以求贊助,也曾在 TED 演講台上公開募款,但都未獲青睞。在國內各方對此次成果讚揚之時,似乎也該想想我們的伯樂在哪裡?!我和郭教授仍有合作,只是台灣在此際早已錯失參與該系列計畫的主導良機。這次的 BICEP2 成果其實只是系列計畫的開端,該團隊目前還有 Keck Array 已在進行觀測中,由郭教授所主導的 BICEP3 也正在建造中,全數都將在南極進行觀測。Nature is kind but human sometimes not.

 

本文選自《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。

關於作者

BBC知識

《BBC Knowledge》為BBC FOCUS、BBC HISTORY、BBC WILDLIFE三本雜誌的精華本,是一本內容權威、親近性高的知識普及雜誌。