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科學治理

宇宙大爆炸從假說確立爲事實 愛因斯坦聲譽被捍衛

時間:2014-12-7 12:21:28   作者:   來源:   閱讀:1231   評論:0
內容摘要:圖爲南極璀璨星空下的BICEP2射電望遠鏡,就是它幫助科學家觀測到了證實宇宙大爆炸理論的關鍵證據。(資料照片)我們從哪裏來、時空如何開始、宇宙爲什麽如此存在--這三個關于世界本原的終極問題,從昨天開始不再只是一個哲學命題,而是擁有了堅實的科學基礎。以哈佛大學爲首的科學小組通過一次史無前例、充滿奇思妙想的實驗,揭開了長...

宇宙大爆炸從假說確立爲事實_愛因斯坦聲譽被捍衛

圖爲南極璀璨星空下的BICEP2射電望遠鏡,就是它幫助科學家觀測到了證實宇宙大爆炸理論的關鍵證據。(資料照片)

我們從哪裏來、時空如何開始、宇宙爲什麽如此存在--這三個關于世界本原的終極問題,從昨天開始不再只是一個哲學命題,而是擁有了堅實的科學基礎。以哈佛大學爲首的科學小組通過一次史無前例、充滿奇思妙想的實驗,揭開了長期困擾科學界的謎題。

從這個角度出發,科學界將它看成是史上最偉大物理學發現之一。原中國引力與相對論天體物理學會理事長、上海師範大學天體物理研究中心主任李新洲說,這個發現是劃時代的,重要性毫不亞于量子力學和廣義相對論。

解碼宇宙本原

關于宇宙的誕生和演化,存在各種解釋。上世紀80年代發展起來的爆炸理論,是目前科學界最主流的看法。但是,任何理論如果得不到實驗的驗證,始終只能是一個假說。

根據暴漲理論,宇宙誕生之初,是一個無比致密的點。但在一個極短的時間--也就是一億億億億分之一秒後,宇宙開始劇烈膨脹(如同一場大爆炸),再經過百億年,逐漸擴張成目前浩瀚的時空。那場大爆炸,其釋放的能量之大,直到現在仍在空間中留有“余溫”,或者說“余晖”,這就是宇宙微波背景輻射。

不過,由于這種輻射始于大爆炸後的38萬年,要了解更早的宇宙,物理學家必須尋找一個新的切入點。很久以來,科學界對此遍尋不著,直到這次,哈佛史密松天體物理中心想到了一個絕妙的工具--引力波。根據廣義相對論,宇宙大爆炸會立即形成第一波巨大的引力震蕩。美國科學家發現的,就是宇宙誕生後第一時間留下的印記。

英國《自然》雜志的一篇文章,賦予了引力波可見形象:想象在一個柔軟的沙灘上,潮水湧上沙灘時,卷起的波浪會帶著沙子一同起舞;潮水退下之後,沙子上會留下波浪的痕迹。

史密松中心的實驗,就是把宇宙微波背景輻射當做了這片沙灘。他們通過3年多的實驗和分析發現,目前的宇宙微波背景輻射,表現出名爲“B模式”的偏振形態,就如同一把鐵粉投入磁場後,呈現出渦旋狀或卷曲狀的樣子。根據宇宙學理論,除了引力波,其他擾動都無法形成這種漩渦。因此,科學家們觀測到的“B模式”,就是大爆炸後原初引力波的獨特印記。

這個證據,將宇宙大爆炸從假說確立爲事實。由此,它關于星系形成的所有預言,都順理成章地獲得了堅實的基礎--大爆炸後的宇宙,就像一團迷霧;隨著微弱的波動漣漪被宇宙膨脹不斷放大,迷霧狀的宇宙開始凝聚,而且越聚來越多,最終形成了星系和萬物。

捍衛愛因斯坦聲譽

證明宇宙大爆炸理論,絕非這次發現的唯一意義。實際上,這也是人類首次得到引力波存在的證據,它極大地掃除了萦繞在廣義相對論頭頂的陰雲。

在廣義相對論看來,引力的本質,是有質量的物體會造成時空彎曲,而且,這種彎曲的特質會像漣漪一樣向外傳播--也就是引力波。過去幾十年來,世界各國的科學家一直嘗試制造一種儀器,去探測引力波的漣漪。不過,引力是物理學所有作用力中最微弱的一個,直到這次實驗之前,任何人造儀器都未曾捕獲過它。甚至有人認爲,也許引力波永遠無法被試驗證實。

盡管在科學預言上,愛因斯坦擁有極佳的聲譽--廣義相對論的其他一些重要預言,例如光線彎曲、引力紅移等,都陸續得到了實驗的證實,但引力波實驗的缺位,使得某些物理學家懷疑,愛因斯坦是不是也有可能出錯?

李新洲告訴記者,引力波觀測一直是實驗物理學的熱門。哈佛牽頭的實驗,不僅構思獨特,設計也異常巧妙。研究團隊獨辟蹊徑地將南極作爲觀測點,那裏沒有手機、電視等無線電幹擾,是地球上最幹燥的地方,而水蒸氣會影響射電望遠鏡對微波背景輻射的觀測精度。

衍生出更多未知

哈佛實驗讓全世界的物理學界爲之震驚和興奮。雖然相關論文尚未經過嚴格的同行評議,但這絲毫無損這一發現的價值。李新洲說,毫無疑問,這個發現是高度嚴謹和確實的。實際上,英國《自然》雜志網站甚至打破常規,在第一時間專門爲其制作了特輯。

要充分揭示這個實驗的價值,也許還需要更多時間。而一些科學家已經開始思考物理學下一步會如何發展。

李新洲說,這個實驗同時也啓發人們,在微觀與宏觀之間,的確存在著橋梁和聯系。因爲最初的宇宙內部呈現量子狀態,其運動符合左右微觀世界的量子力學;然而,引力卻是宏觀世界的規律。愛因斯坦一直試圖將量子力學與廣義相對論統一起來,但直到今天,這個任務仍沒有完成。這次觀測到大爆炸的引力波,是否有助于一個統一的物理理論的形成呢?

此外,廣義相對論雖然能從這個發現中受益,但仍不能完美解釋宇宙目前的加速膨脹狀態。過去,一些科學家嘗試修正廣義相對論,提出了一些理論模型。而現在,面對一個更強健的廣義相對論,科學界必須思考該怎麽辦?

科學的發展,永遠是從未知到已知,然後再由已知衍生出更多的未知。無論如何,至少今天,科學家們可以驕傲地高喊:“我們獲知了宇宙最初的那一刻!”


標簽:愛因斯坦 宇宙大爆炸 哈佛大學 射電望遠鏡 師範大學 
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