重力波:宇宙真的曾經暴脹

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重力波:宇宙真的曾經暴脹─郭兆林教授2014/4/1學術演講側寫
國立臺灣大學應用物理研究所 劉伊修撰文/國立臺灣大學物理學系 王名儒教授責任編輯

每當仰望星空,你是否曾經思考過這些星星的後面是甚麼?這黑暗的背景是無底的還是有限的呢?

宇宙學家正在找尋答案。

西元1929年天文學家哈伯對星系做光譜攝影時,推論遙遠的星系皆離我們遠去,而且遠離的速度大致與地球的距離成正比,稱之為哈伯定律。這個現象可由一接近等速膨脹的宇宙來解釋,如果依此推論,那麼以前遙遠的星系和我們是非常近的而且溫度比現在更高,這就有點類似高溫的氣體膨脹其溫度會下降一樣的道理。

Cosmic 'Holy Grail' unearthed宇宙背景輻射就是早期的宇宙的餘熱所發出的電磁波。1965年,天文學家彭齊亞斯和威爾遜(Arno Penzias and Robert Wilson) 從自製天線接收到的無線電訊號中發現無法消除的雜訊,後來 證實就是宇宙背景輻射。

宇宙大霹靂理論認為時間、空間、能量、物質有一個起始,是一個無限密、無限熱、無限小的狀態,稱它為奇異點(singularity),之後宇宙就開始膨脹,它推測宇宙年齡約137億年。而光的速度乘上宇宙年齡就是我們可以看到的最遠的地方。因為再遠一點的東西發出的光線,宇宙年齡還不夠讓他們到達我們的望遠鏡。這條界線稱為視界地平線(visible horizon)。但是更遠的地方有物質嗎?答案是有的。二相對地球反方向且接近地球視界地平線的星體必互相看不到對方,同理可知在我們的視界地平線外必仍有東西存在。由於從地球上觀測到的宇宙背景輻射,在全天的分佈上十分均勻,讓我們相信視界外及視界內的物體都應該是從同一點產生的。這不禁使人懷疑,為何有些東西會跑出視界地平線呢?

暴脹理論(inflation)能提出這個問題的一種解釋。暴脹理論(跟大霹靂理論不完全一樣)相信宇宙開始後的約10的負34次方秒時發生了一個超光速的膨脹,這暴脹期間宇宙從一個原子大小變到一個星系的大小。這次暴脹理論也把很多物質推出視界地平線外。聽到超光速或許會覺得不可思議,但是2014年三月底,有一個團隊宣布他們觀測到跟暴脹有關的重力波。

2014年4月1日下午兩點,筆者到臺大物理系凝態館聽演講,座位已經爆滿,連走道都擠得滿滿的,大家都是來聽史丹佛大學物理教授郭兆林的演講。筆者坐在攝影機的後面看著錄影人員準備就緒。一開始主持人介紹郭教授畢業於臺大物理系以及其他的經歷。

這是ㄧ場學術性的演講,現場有許多外籍人士。郭教授用英語先簡單地用幾張投影片介紹宇宙背景輻射、暴脹論、和重力波,並且解釋為什麼重力波在宇宙背景輻射屏幕上所照成的印記能證實暴脹論。宇宙學家相信只有暴脹能加強宇宙早期的重力波,如果宇宙的早期的重力波能被驗證,這一定可增強人們對暴脹論的信念。

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哈伯超深域(圖片來源:NASA)

郭教授展示一張跟哈伯深域很像的圖片,傳達的意思是說再下去就看不到了。由於極早期的宇宙處於極高溫高熱的電漿狀態,因此光子和周遭的物質交互作用太頻繁,我們很難使用光訊號來看見更早之前的事。宇宙背景輻射就是在這ㄧ道電漿做的牆之後,當宇宙變澄清所留下的最早期光訊號。幸好重力波能輕易穿過這些電漿,並且在宇宙背景輻射這牆上留下印記,所以可以利用重力波來研究更早期的宇宙。郭教授說:「只有重力波能讓宇宙背景輻射產生B-mode的印記。」所謂的B-mode是指這印記沒有梯度但只有旋度。

演講才剛到一半,郭教授很幽默地說了一句:「你睡醒了嗎?」筆者也跟著笑了,因為實在太玄了。接下來,郭教授秀出了實驗的數據,一步一步地說明這些訊號不可能是雜訊或其他的訊號。而重力波存在極早期的宇宙也排除了一些弦理論,加強了對於重力量子化、混沌暴脹(chaotic inflation)的信念。

現場發問非常踴躍,多位人士懷疑這印記是否是由雜訊所造成,郭教授一一回應排除這類雜訊的可能性。最後主持人告知聽眾明天(4/2)還有一場演講,說明天郭教授答應我們要用中文演講,最後演講在經久不息的掌聲中落幕。

 

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