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          探測宇宙最初一剎那
          2009-07-09  【 】【打印】【關閉

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           (威爾金森各向異性探測器) 

            (下面是《南方周末》的稿子,請勿轉載) 

            一門學科的成熟標志是研究進入誤差很小的定量化階段。僅僅是20年前,我們還不能說宇宙學是一門嚴密的學科,因為那時許多重要的宇宙學參數還非常不確定。我們可以舉一個例子看看宇宙學那時是一個什么樣的狀況。大家都知道宇宙在膨脹,膨脹的最重要的標志是遠方的天體在退行,越遠的天體退行的速度越快-這就像一個膨脹的氣球,氣球上的任意兩點之間的距離都在變大,本來距離較大的兩點以較大的速度相互離開。天體和我們之間的距離每增大一倍,其退行的速度就增大一倍,這就是有名的哈伯定律。決定宇宙膨脹速度的叫哈伯常數,這個常數的測量在宇宙學史上一直是一個核心問題,20年前的測量誤差是百分之一百。 

            今天,哈伯常數的測量已經可以精確到百分之二以內,具體數值大約是:距離我們有一百萬光年的天體相對我們的退行速度大約是每秒22公里。我們可以想象,如果這個常數的測量不夠準確,那么許多我們關心的數據也不會準確。例如,哈伯常數直接決定了宇宙的年齡。如果哈伯常數的精確度只有百分之百,那么宇宙年齡的準確度大約也是百分之百。這個范圍太大了,如同我們說一個女孩的年齡在10歲到20歲之間。 

            直到十年以前,我們一直覺得過去宇宙膨脹的速度比現在膨脹的速度要大,而未來的膨脹速度要比現在的速度要小,所以,大爆炸發生的那一刻宇宙膨脹的速度最大。這種觀念和萬有引力很符合,因為既然物體之間存在的萬有引力是吸引力,那么這種吸引力只能將物體之間的速度減低。宇宙學的觀測手段的發展在十年前完全革新了我們的誤信,就是說,現在宇宙的膨脹速度不是越來越小,而是越來越大。這是非常反直觀的現象,最合理的解釋是宇宙間除了萬有引力之外,還存在著一種無所不在的斥力,是這種斥力在宇宙的尺度上克服了萬有引力,導致宇宙的加速膨脹。這個革命性的結果被多種觀測手段所證實,正是這些觀測手段同時幫助我們精確測量了宇宙膨脹速度、宇宙年齡和其它一些重要的決定宇宙圖像的物理量。我們今天要介紹的,是這些手段中的一種也是最重要的一種,測量宇宙中彌漫的微波背景輻射的微小漲落。 

            那么,什么是微波背景輻射?什么是微波背景輻射的漲落?這些漲落的測量又意味著什么?我們要從頭談起。1964年,彭齊亞斯和威爾遜無意之間發現了彌漫在空間所有方向的微波輻射,這種輻射對應的溫度很低,后來被確認為宇宙間無所不在的微波背景輻射。微波背景輻射正是大爆炸理論預言的宇宙在大爆炸時期遺留到今天的遺跡。彭齊亞斯和威爾遜的發現是現代宇宙學的開端,他們也因此獲得諾貝爾物理學獎。微波背景輻射是一種特殊的輻射,叫黑體輻射,這是有著固定溫度的輻射。當天文學家將各種不同的微波探測器對準天空的深處的時候,他們發現,微波輻射的溫度在天空的所有方向上幾乎完全一樣,都是2.725開爾文。這里開爾文是溫度的單位,冰點的溫度是273.15開爾文,說明微波輻射的溫度遠遠低于冰點的溫度,這說明宇宙是一個很空很冷的地方。90年代初的一項實驗發現告訴我們,幾乎完全均勻的微波輻射有著非常微弱的不均勻性,溫度的漲落只有18個微開爾文。換句話說,溫度的漲落只有10萬分之一。這個發現被授予了2006年諾貝爾物理學獎。授獎的一個重要原因是,這項發現再次證實了大爆炸理論,因為大爆炸理論預言了微波輻射的漲落,這種漲落是宇宙在嬰兒期產生的漲落的遺跡。 

            大爆炸宇宙論中有一個非常重要的領域,是研究宇宙間的結構如何產生的,如恒星的起源,像銀河系一樣的星系的起源,以及由一些星系組成的星系團的起源,這些結構在宇宙學中統稱為大尺度結構,因為涉及的尺度非常大,經常在百萬光年以上(一光年是光走了一年的距離,大約是9萬億公里)。最初,有很多學說解釋這些結構如何產生于宇宙創生的不久之后。這些學說的共同之處是假定宇宙中的一切不均勻性,包括物質組成的星系、星系團,以及微波背景輻射中的不均勻性,都來源于宇宙在極早期的原始不均勻性。愛因斯坦的引力理論告訴我們,宇宙中任何不均勻性都會導致引力的不均勻性,而引力的不均勻性也會反應在微波背景輻射中。可以說,被探測到的微波背景輻射的不均勻性,雖然非常小,是宇宙留給我們的最原始的化石。 

            就像考古學家能夠從化石的研究中發現生物的進化歷史,宇宙學家也能夠從微波背景輻射的溫度漲落中分析出宇宙的進化歷史,甚至能夠幫助我們精確地測定宇宙演化的一些重要數據,例如我們前面提到的宇宙膨脹速度和加速度,宇宙年齡,宇宙中的平均物質密度,以及導致宇宙加速膨脹的一種過去聞所未聞的能量:暗能量。 

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