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提出宇宙暴脹理論──古斯生日|科學史上的今天:2/27

1979 年底,32 歲的美國物理學家古斯一早起床即跨上單車,以前所未有的速度直奔史丹佛大學的研究室。他翻開筆記本,興奮地寫下昨晚初步計算後得出的重大發現:

驚人頓悟:這種過冷現象可以解釋為什麼今天的宇宙會平坦到如此驚人的程度,也因此可以解答狄克在愛因斯坦紀念日演講時指出的精細弔詭。

阿蘭.古斯。圖片來源:flickr@Betsy Devine/license

難怪古斯如此興奮,因為他將提出宇宙暴脹理論,一舉解決大霹靂模型無法解釋的幾個矛盾現象。而到目前為止,他仍然只是博士後研究的身分,所研究的又一直是極小的基本粒子,哪想得到會在一夕之間改寫極大尺度的宇宙學理論呢?!

說起來,古斯的研究之路並不順遂。他一開始研究束縛夸克的作用力,但在論文完成之際,另一種全新觀點的量子色動力學已經用「色荷」提出完整的解釋。他隨即自修跟上更新的「規範場論」,但他在全盤了解之後,偏偏又選擇研究有如獨角獸的磁單極粒子(目前所知的所有磁鐵都同時有南北極,但理論上是允許只有南極或北極的磁單極粒子存在),研究這種無法驗證的粒子根本吃力不討好,他只能在各大學尋找博士後研究的機會。

當他轉到康乃爾大學,遇見來自香港的戴自海,從此改變了他的研究方向與未來。戴自海極力建議他把目光轉向磁單極肯定存在的宇宙誕生之初,於是古斯又重新學習他原本不熟悉的宇宙學,不過他當初研讀規範場論時掌握的對稱性破缺、希格斯場此時都派上用場,當他到了史丹佛大學,一切水到渠成,在計算宇宙如何創生才導致現今宇宙看不到磁單極時,古斯發現宇宙必定歷經至少一次比大霹靂理論更為激烈的指數性成長的暴脹(每 10-34 秒即加倍),在此階段瞬間成長至少 1026 倍之後,膨脹速度才放緩。

古斯從粒子物理出發,最後同時解決了三個宇宙學的難題。暴脹意味著可觀測宇宙其實出自於遠比天文學家所以為還小的熾熱微粒,具有相同溫度,所以各處的宇宙背景輻射的溫度才會如此均勻。而且暴脹的速度遠大於光速,這代表目前我們觀測到的宇宙只佔真實宇宙極為微小的一部分,所以宇宙的空間曲率當然會接近於零,這就像在地表會以為地球是平的一樣。而磁單極被稀釋到整個真實宇宙後,在我們這個宇宙中就寥寥無幾了。

古斯因為提出暴脹理論,馬上脫離博士後研究員的身分,獲得麻省理工學院的副教授職位。但他至今仍未獲得諾貝爾獎,因為尚無證明暴脹的證據;原本以為我國物理學家郭兆林參與其中的團隊已經發現重力波的蹤跡,可以證實暴脹理論,不料結果只是星際塵埃作祟。古斯只能期待可以像希格斯那樣,在有生之年見到暴脹理論的證據了。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

 

關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。