[新聞] 科學家發現宇宙大爆炸的直接證據
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科學家發現宇宙大爆炸的直接證據
DENNIS OVERBYE 2014年03月19日
美國馬薩諸塞州坎布里奇——1979年的一個深夜，一位名叫阿倫·古斯(Alan Guth)的年
輕物理學家還沒入睡。他沒有固定的職位，只有一個斯坦福大學給的為期一年的位置，不
過他已有了一個最近生下來的兒子。這一夜，他是在筆記本和方程式的陪伴下度過的，他
進入了遠遠超出已知物理學的世界。
他在試圖理解，為什麼一直找不到某些奇異粒子的痕迹，這些粒子應該是宇宙大爆炸時產
生的。但他卻發現了也許是最初引起宇宙爆炸的原因。在宇宙演化的假定過程中的一個潛
在問題，也許能讓空間本身具有一種特殊能量，給宇宙施加一種排斥力，使宇宙在一個巨
大的暴力瞬間，以比光速還快的速度膨脹。
如果真是這樣的話，宇宙的這種快速脹滿有可能解釋一些悖論，比如為什麼從地球的一極
到另一極之間的天空，看上去是均勻的，而不是一片凹凸不平、扭曲的亂七八糟。這種快
速的、像氣球那樣的膨脹，會拉平所有的皺紋和不平整。那些粒子不是丟失了，而是被稀
釋到檢測不到的程度，就好比吐在大洋中的口水。
「令人驚嘆的認識」，古斯在筆記本頁面的上方用大寫字母寫道，他還在這幾個字的周圍
畫了一個雙線的框框。
周一，古斯的星際飛船進港了。無線電天文學家報告說，他們看到了宇宙大爆炸的開端，
而且，他那個以平淡無奇的「膨脹」一詞為名的假說，看來是正確的。
由哈佛-史密森天體物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)的約翰·
M·科瓦克(John M. Kovac)帶領的一個天文學家小組，用南極的望遠鏡，跨越138億年的
時間，回到宇宙開始的第一時刻，在時空構成(即所謂的引力波)中探測到了漣漪，這些漣
漪是在宇宙年齡大約只有萬億分之萬億分之萬億分之一（10的負35次方）秒時，宇宙被猛
烈地撕裂開的明顯標誌。科瓦克和他的同事們說，人們長期以來在尋找這些漣漪，它們是
膨脹的確鑿證據，能夠證明古斯的理論是正確的。
膨脹作為宇宙學的骨幹理論已有35年了，但是，包括古斯在內的許多人都不知道該理論最
終能否被證實。
如果能被他人獨立確認，科瓦克等人的工作將成為科學上的一個里程碑，其地位與最近的
其他發現相當，比如暗能量在推動的宇宙加速膨脹，或者宇宙大爆炸本身。這項工作將給
科學和猜測打開時間、空間和能量的廣闊領域。
證實膨脹理論將意味着，雖然我們看到的宇宙空間可達140億光年之遙，裡面有數以千億
計的星系，它只是更大宇宙中極小的一部分，而更大宇宙的範圍、結構，以及命運都不可
知。此外，在我們自己的宇宙之外，還可能有無數的其他宇宙永無止境地成長着，就像煮
麵條的水不停地溢出來那樣。
"沒有比這再大的了"
在我們自己的宇宙中，這個發現能為觀察極高能量層次的作用力提供一個視窗，那種能量
是地球上的粒子加速器永遠也不可能達到的，從而對引力本身產生新的見解。科瓦克等人
的漣漪會成為對引力波的首次直接觀察，根據愛因斯坦的廣義相對論，這種漣漪應該在時
空中存在。
約翰霍普金斯大學(Johns Hopkins University)的馬克·卡米奧庫斯基(Marc
Kamionkowski)是一位研究早期宇宙的專家，他不是那個天文學家團隊的成員，他說，「
意義太巨大了，沒有比這再大的了。」
他接下來說，「這是來自最早宇宙的一個信號，是宇宙用引力波編碼發來的電報。」
這些漣漪在浸透整個空間的微波輻射中以微弱的螺旋圖案表現出來，保存了宇宙年齡為38
萬年、其溫度與太陽表面溫度一樣時的照片。
科瓦克和他的合作者們，周一在這裡的天體物理中心，報告了他們名為Bicep（宇宙泛星
系偏振背景成像[Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization]）實驗
的結果，這些結果也作為一組論文投給了《天體物理學報》(The Astrophysical
Journal)。
科瓦克說，這些結果是一種偶然的概率只有千萬分之一。
現年67歲的古斯宣布自己「為之驚嘆」，說沒有指望在自己有生之年看到如此明確的證實
。
「就觀察自然而言，你需要有運氣，」他說，「顯然，我們一直都很有運氣。」
這些結果是從三年的觀察和分析中提取出來的，一直在嚴格保密。因為擔心泄密，科瓦克
沒有用電子郵件，而是親自把論文草稿送到為數不多的幾個人手裡。科瓦克上周在古斯的
辦公室里與後者見了面，古斯現在是麻省理工學院(Massachusetts Institute of
Technology)的教授，(他的兒子拉里[Larry]，就是1979年夜裡睡著了的那個，如今也是
麻省理工學院的教授）。
「這是一個非常特殊的時刻，作為科學家我們非常嚴肅地對待這一時刻，」科瓦克說，他
選擇措辭就像他照管自己的無線電望遠鏡那樣小心翼翼。
斯坦福大學的安德烈·林德(Andrei Linde)是一位多產的理論物理學家，他曾於1983年首
次描述了一種最常見的膨脹形式，即所謂的「混沌膨脹」(chaotic inflation)。他正打
算於上周去加勒比海度假的時候，科瓦克在斯坦福的同事郭兆林(Chao-Lin Kuo)敲開了他
的家門，向他通報消息，還帶來了一瓶香檳。
林德一開始沒明白是怎麼回事，他大聲問太太，她是不是訂購了香檳。
「然後我告訴他，一開始我們以為這是一個派送，但我們覺得我們沒有訂購任何東西，不
過我只是忘了，實際上，我的確在30年前訂了這東西，」林德在一封電子郵件中這樣寫道
。
林德從荷屬加勒比島嶼博內爾打來電話說，他仍然沒有喘過氣來，他說，「得到這樣的消
息是毀掉一個假期的最好方法。」
上周末，社交媒體上鬧哄哄地傳着看到了宇宙膨脹的謠言，消息開始傳開，天體物理學家
們對這條消息的反應既有歡喜，也有謹慎。
麻省理工學院的宇宙學家馬克斯·特格馬克(Max Tegmark)在一封電子信中寫道，「我認
為，如果這個發現的真實性能保持下去，它將是科學史上最重大的發現之一。」
芝加哥大學(University of Chicago)的約翰·E·卡爾斯特羅姆(John E. Carlstrom)曾
是科瓦克的導師，他領導着一個名為「南極望遠鏡」(South Pole Telescope)的競爭項目
，他宣布自己對結果深為嘆服，他說，「我覺得那些結果很漂亮，而且很令人信服。」
普林斯頓大學的保羅·J·斯坦哈特(Paul J. Steinhardt)是一個與膨脹理論競爭的模型
的提出者，在他的模型中，大爆炸的發生是兩個宇宙碰撞造成的。他說，如果科瓦克等人
的發現是真的，Bicep的結果將會排除他的模型，但他表示對膨脹理論持保留意見。
亞利桑那州立大學(Arizona State)的勞倫斯·M·克勞斯(Lawrence M. Krauss)及其他人
也強調需要獨立驗證，他們指出，新結果超出了此前估計的範圍，也超出了其他有關宇宙
的假設，此前的估計是基於歐洲航天局(European Space Agency)的普朗克衛星觀測到的
宇宙背景溫度圖。
克勞斯說，「所以在我們上蹦下跳之前，需要等着瞧瞧。」
獨立驗證可能在不久的未來就會出現。普朗克航天器今年將報告它自己的發現。而且至少
有十幾個團隊在利用氣球、山頂或空間的望遠鏡嘗試着進行類似的觀測活動。
天上的螺旋
引力波是迄今為止從宇宙微波中探查到的最新和最深的秘密，宇宙微波背景輻射是由貝爾
實驗室(Bell Labs)的阿諾·彭齊亞斯(Arno Penzias)和羅伯特·威爾遜(Robert Wilson)
在上個世紀50年代意外發現的，他們因此獲得了諾貝爾獎。
科瓦克把他的整個學術生涯都花在試圖讀出這個背景輻射中的秘密上。他是Becip項目的
四位負責人之一，該項目已經在南極運行了一系列越來越靈敏的無線電望遠鏡，南極稀少
和乾燥的空氣，為這種觀測創造了理想條件。其他三位負責人是，明尼蘇達大學
(University of Minnesota)的克萊門特·普萊克(Clement Pryke)、加州理工學院
(California Institute of Technology)的傑米·博克(Jamie Bock)，以及斯坦福大學的
郭兆林。
科瓦克說，「南極是在地面上，能讓你最接近太空的地方。」他去南極已經23次了，他說
，自從1994年在那裡過冬後，「我和南極結下了不解之緣。」
2002年，他參加的一個團隊發現，相關微波輻射具有偏振性，也就是說光波略為偏好在一
個方向上振動，而不是另一個方向上。
該發現朝着探測來自膨脹的引力波的最終目標邁出了一步。這種引力波在傳播過程中，在
一個方向上擠壓空間，在另一個方向上拉伸空間，從而會扭曲微波輻射的偏振方向，理論
物理學家說。因此，天空中的偏振圖上應該有形成螺旋狀的小箭頭。
探測那些螺旋需要測量宇宙微波輻射中極其微小的溫度差別。科瓦克團隊的Bicep2望遠鏡
在本質上是一個巨大的超導溫度計。
科瓦克說，「我們對能看到什麼沒有預期。」
信號的強度令研究人員吃驚，他們花了一年的時間用哈佛大學的一台超級計算機做了大量
的計算，以確保他們的結果是正確的，同時他們擔心競爭者會搶在前頭出結果。
一個特殊時刻
數據把宇宙膨脹的開端追溯到一個特殊時刻，物理學家（比如35年前在自己家裡熬夜的古
斯）猜測，那個時刻是宇宙演化的一個特殊斷點。
物理學家認為，自然界存在四種作用力：引力、電磁力、強核力及弱核力。但是很長時間
以來，他們一直推測，這四種力只不過是一種唯一的統一力的不同表現而已，該統一力在
宇宙最早、最熱的時候統治着天地萬物。
根據這個理論，隨着宇宙變冷，它失去了完美性，好像一些古老的民間神話中神靈或兄弟
鬧翻了天。隨着各種作用力從統一力中分離出來，物理定律隨之演化而出。
這正是古斯出現的地方。
在某種情況下，一杯水在溫度降到攝氏零度以下後，仍能保持液態，直到這種狀態受到打
攪，在那一刻，水會迅速凍成冰，釋放出潛熱。
類似地，宇宙也可能「過冷」，並且過長地處於一種統一狀態。在那種情況下，空間本身
會被灌滿一種神秘的潛能量。
插入愛因斯坦的方程式中，這種潛能量可以起到某種反引力的作用，從而使宇宙自我爆炸
。因為是空間本身提供了這種排斥力，爆炸產生的空間越多，宇宙把自己推開的力量就越
大。
後來成為我們觀察到的天地萬物，在不到宇宙一眨眼的時間裡，迅速增長了至少萬億的平
方的倍數，從一個原始能量的亞顯微斑點，變成一個西柚大小。
這種衝擊幾乎同樣快地消退，張弛為普通的粒子和輻射。所有的宇宙歷史篇章還有待開始
，最終形成了如今觀察到的宇宙，一片跨越幾十億光年之遙的星空。「人們常說，沒有免
費午餐這種事，」古斯喜歡這樣說，「不過宇宙也許是終極的免費午餐。」
把「免費午餐」一詞變成複數吧。從古斯最初的預見形成的近百個模型中的大多數都提出
，膨脹一旦開始，將會永遠進行下去。即使我們自己的宇宙已進入了一個舒適的緩慢膨脹
階段，其他的宇宙將繼續爆炸，無窮無盡地派生出其它大氣球，這就是所謂的多個宇宙
(multiverse)的概念。
所以，宇宙的未來既光明又多產，但是別費神去問有關回到更深更遠的過去的問題。
我們也許永遠不會知道宇宙膨脹之前，也就是在最開始的時候，發生了什麼，因為膨脹把
之前發生的一切抹掉了。原始一刻所有的混沌和隨機，被一掃而光，永遠從我們的視野消
失了。
哈佛-史密森中心的天文學家亞伯拉罕·勒布(Abraham Loeb)沒有參加這項工作，他說，
「如果你要追溯自己的宇宙根源的話，你只能回到膨脹發生的時刻。」
翻譯：Cindy Hao
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L2M: 拉出珍珠的部份我保留，不過我有次在火鍋店的馬桶看到浮著一朵香菇 = =
Dvc:屎有餘菇阿
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