捕捉引力波背後的故事(之十六):南極上空的烏龍

即使在學術界,圈內的物理學家也按捺不住興奮,紛紛讚譽這將是人類歷史上最重要的科學發現之一。

這個劃時代的觀測結果沒有來自漢福德和利文斯頓,而是地球上最為人跡罕至的地點之一:南極。

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1980年,薩根為美國公共電視臺製作了一個收視率破紀錄的科普系列電視片《宇宙》(Cosmos: A Personal Voyage)。他在第九集開場的第一句話是,“如果你想從零開始烤制蘋果派,那你首先需要發明宇宙。”(If you wish to make an apple pie from scratch, you must first invent the universe.)

如果沒有宇宙,我們不會有面粉、蘋果、糖;不會有小麥、蘋果樹、甘蔗;不會有土地、水、陽光;不會有地球、太陽;不會有碳、氧、氫等各種元素;不會有質子、中子、電子、光子……當然,也不會有我們自己,便無從烤制蘋果派。

自從1964年貝爾實驗室的彭齊亞斯和威爾遜誤打誤撞地發現了宇宙微波背景輻射後,原來匪夷所思的大爆炸理論開始得到普遍地接受。因為那個輻射便是大爆炸的遺蹟,猶如考古發現的化石。

不過,如果宇宙自大爆炸發生後便一直像今天這樣地膨脹,卻也無法解釋宇宙的一些特徵(其中之一是巴里什夢寐以求的磁單極之不存在)。為了解決這個困難,物理學家在1980年代提出“暴漲”(inflation)理論,彌補了缺陷,構造出更具體的宇宙初始圖像。

在大爆炸發生後10-36到10-32秒時,也就是一萬億分之一的一萬億分之一的一萬億分之一秒後的那“一瞬間”,宇宙有過一次劇烈的“暴漲”。在所有的空間尺度呈指數增長,“一下子”擴大了大約1026(e60)倍。起初只有微小的基本粒子尺度的宇宙便具備了可觀的大小。暴漲結束後,宇宙依然繼續膨脹,但不再那麼劇烈。

暴漲之後的宇宙是煉獄般的高溫(1032度),沒有星球,沒有原子,但充滿著電子、正電子、質子、中子、光子、中微子這些基本粒子。這是一種特殊的“等離子體”(plasma,老一代中國物理學家曾經翻譯為“電漿”,也許更為形象)。這個電漿如此稠密,光子沒法自由運動,是一個完全不透明的“黑暗”世界。

大約38萬年以後,這個“年輕”的宇宙終於通過膨脹冷卻到了3000度以下,質子和電子第一次可以結合成穩定的氫原子。充滿宇宙的粒子氣體不再是帶電的粒子,而是中性的原子,光子可以在其間自由穿梭。如同滿屋子的水蒸氣在溫度降低後凝聚成水滴,宇宙突然變得透明。這些光子便是大爆炸之後所能見到的第一束光,宇宙的第一抹“曙光”。

再經過一百多億年,宇宙繼續膨脹、冷卻,逐步演化成為今天豐富多彩的世界。那原始的第一束光隨之耗散、冷卻之後,便是彭齊亞斯和威爾遜發現的宇宙微波背景輻射。

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因為量子力學中特有的隨機性,高速運動質子和電子會自發產生密度漲落:它們在有的地方多一些,有的地方少一些。凝聚出來的氫也有相應的密度差異。引力在這時成為主導力量,密集的氫因為互相之間的引力逐漸匯聚在一起形成早期的星球,然後又在自身重力的壓迫下發生一系列核聚變反應。於是我們才有了氦,有了碳,有了金屬,有了行星……然後,出現了人類,發明出如何烤制一份美味的蘋果派。

就像起初的大爆炸一樣,暴漲理論很難被大部分物理學家接受。近乎不可思議地,這個理論還必然地推論出暴漲過程中的宇宙不是單一的,而是同時會出現大量平行、互相隔離的宇宙。我們所在的宇宙只是其中之一。這就是所謂的“多重宇宙”(multiverse,與universe相對),似乎現代宇宙學已經侵入了科幻小說的領地。

不過,這個理論最大的弱點也是與費曼幾十年前譏諷當時的宇宙學如同一轍:說得天花亂墜,卻只是紙上談兵,沒有實際依據。

當然,人類不可能在實驗室裡製造出一個大爆炸來觀察、驗證,最多隻能像考古學那樣:尋求遠古的化石,仔細鑽研化石上殘留的蛛絲馬跡,試圖還原出那過去的故事。

最早的化石便是宇宙微波背景輻射,那是宇宙38萬年時的產物。它是否含有更早期的“寶寶”宇宙留下的蛛絲馬跡呢?的確有可能,那卻有賴於我們的老朋友——引力波。

早期電漿中的密度漲落是質量的變動,因此會激發出引力波。引力波與光子相互作用,能夠影響光子的偏振(polarization)態,使之呈現出一種B模式(B-mode)。這個B模式會一直殘留到今天的宇宙微波背景輻射中,便是我們可以尋找的蛛絲馬跡。

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彭齊亞斯和威爾遜的天線設備相當簡陋。他們發現宇宙微波背景輻射無時不有無處不在,似乎是均勻的地瀰漫於整個宇宙,各個方向沒有區別。

我們現在已經習慣於用微波爐加熱甚至烹調食物,非常快捷方便。這是因為食物中的水分很容易吸收微波的能量。因為同一原因,我們在地球表面很難精確測量來自太空的微波,因為它們絕大部分已經被大氣層中的水氣吸收。

韋斯在麻省理工學院發明干涉儀的同時就在設計用氣球攜帶儀器上升到大氣稀薄的高空測量宇宙微波背景輻射。在他苦於找不到干涉儀的資助而走投無路時,美國航天局對他的微波實驗發生了興趣,不僅提供資助,還聘請他擔任宇宙微波背景輻射探測委員會主席,主持將儀器裝載到人造衛星上進行大氣層之外測量的大項目。

1990年代初,一顆名為“宇宙背景探測者”(Cosmic Background Explorer,簡稱COBE)的衛星對宇宙微波背景輻射進行了第一次全面、精細的測量,發現該輻射並不是完全均勻的存在,宇宙空間不同區域之間的輻射溫度有著千分之一量度的差別。這個結果證明了大爆炸之初的宇宙的確存在密度差異。現在輻射溫度稍微高的地方便是當初密度稍微大一點的區域,這些地方後來發展成星系、星系團、星雲等等的所在。

捕捉引力波背后的故事(之十六):南极上空的乌龙

1990-1992年間COBE衛星拍攝的宇宙微波背景輻射溫度分佈圖。

主持這項測量的物理學家斯穆特(George Smoot)激動地回顧,當他看到COBE描繪出的這個圖像時,彷彿“看到了上帝的臉”。斯穆特和馬瑟(John Mather)因為這個項目榮獲2006年諾貝爾獎。作為該項目先驅、領路人的韋斯卻被擦肩而過。

COBE之後,物理學家乘勝追擊,開始了一個叫做“宇宙外星系偏振背景成像”(Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization)的測量項目——之所以採用這麼一個拗口得不知所云的名字,也只是為了湊出一個強有力的縮寫:BICEP(“二頭肌”)。他們設計了一個新型的能精確測量微波輻射的望遠鏡,安裝在南極點附近。

南極看起來冰天雪地,其實卻是一個高原沙漠。那裡海拔2700米,空氣稀薄。更因為極其寒冷,大氣中也幾乎沒有水分子。(南極本身沒有雨雪,地面上的冰雪是被風從遠處吹來堆積而成)。在無法或沒錢把望遠鏡裝上高空氣球或人造衛星時,南極是地面上觀測微波輻射最佳地點之一。

捕捉引力波背后的故事(之十六):南极上空的乌龙

位於南極的BICEP2望遠鏡(前面房頂上),後面是另一座“南極望遠鏡”(South Pole Telescope)。

相對於LIGO的大科學大協作,BICEP只是寥寥幾個人的小團隊。他們的任務看起來也簡單得多:在微波輻射的偏振中尋找B模式,“只”需要三千萬分之一的靈敏度。更優越的是他們不需要苦苦等待那不知道什麼時候才可能發生的巨星碰撞。如果B模式存在著,它隨時隨地都在那裡等著被發現。

然而他們也有類似LIGO的難處。宇宙空間瀰漫著微波輻射,並不都來自遠古的大爆炸。當這些微波被銀河系中的宇宙塵埃(cosmic dust)散射時,也會帶上B模式偏振。這些就如同LIGO中的環境噪音,稍不留神就可能以假亂真。

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或者說,我們不僅看到了創世紀時上帝的臉,而且找到了他的指紋。

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雖然BICEP2團隊是搜尋B模式的先行者,他們並不孤獨。在他們取得數據時,另外幾個用不同方式測量的團隊也已接近成功,包括他們最強勁的競爭對手:歐洲航天局專門為測量微波背景輻射發射的新型人造衛星“普朗克”號。

一方面,他們希望能多角度地核查自己的數據;但另一方面他們更害怕因為等待而失去這一具里程碑意義的發現的優先權,痛失穩拿的諾貝爾獎。他們曾請求普朗克團隊提前分享數據做對比,被拒絕。於是他們只能根據對方在一次公開演講用的圖表粗略估算其背後的數據,似乎與他們自己的測量沒有衝突。

三個星期之後,論文還沒有正式提交。但這個結果如此轟動,預印本網站上已經出現250篇與此有關的新論文。在這麼多的瞬時引用中,已經有個別文章指出他們探測到的也許不是大爆炸的迴音,而只是來自銀河系內宇宙塵埃——也就是“噪音”。兩個月後,普林斯頓大學的天文學家發表了論文,詳細論證了BICEP2團隊明顯低估了銀河塵埃的影響。

三個月後,BICEP2團隊的論文通過了同行評議,發表在《物理評論快報》上。這個正式發表的版本與他們公開的預印本有顯著的修改。因為匿名審稿人的建議,他們刪去了有關與普朗克衛星數據相對比的部分,因為他們的估算並不可靠。但這時,對他們結果表示懷疑的輿論也已經開始壓過讚賞的。

再後來,普朗克衛星團隊正式發表了他們的數據,證明銀河系塵埃的噪音與BICEP2所測得的信號同級,也就是說後者的結果不具備統計意義。BICEP2團隊不得不撤稿,一場轟動全世界的重大科學發現極為難堪地落幕了。

捕捉引力波背后的故事(之十六):南极上空的乌龙

《物理世界》報道BICEP2結果被否定的新聞,題目一語雙關地指出他們“吃了一口土”(bites the dust)。

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費曼曾經指出過,科學研究中最重要的是“你不能糊弄自己,而你自己恰恰是最容易被矇騙的人。”(The first principle is that you must not fool yourself--and you are the easiest person to fool.)無論是出於過度的自信,還是過於期望夢想成真,BICEP2團隊被他們自己的熱情和輕率矇騙了。

失望的還不止是始作俑者,還有霍金。霍金曾經為了暴漲理論與圖羅克(Neil Turok)打過一個賭。因為BICEP2的結果,他以為終於能夠贏得一局。倒是圖羅克比較冷靜,沒有立刻認輸,反得以笑到最後。

因為BICEP2的烏龍,這個領域的物理學家從此也揹負上了韋伯式的原罪。

(待續)

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END


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