2022 4月 23 By binance币安怎么注册下载 0 comment
  • 文/赖昭正 前清大化学系教授、系主任、所长;合创科学月刊

有心栽花花不开,无心插柳柳成荫

-明代《增广贤文》

在十六世纪以前,宇宙的起源、历史、与结构一直被认为是属於宗教与哲学的范围,因此最初的许多宇宙论都是以人为中心、基於神话和传说,并认为宇宙是永恒不变的。

为什麽是永恒不变的?一个正在改变的宇宙,便应该有面临终结的命运,这似乎不符合超越人类之创世者存在的宗教信仰。

因此 17 世纪末至 19 世纪初之欧洲启蒙时代(也称为理性时代)虽然企图摆脱对宗教盲目的信仰,追求通过理性和感官证据去获得知识,但似乎并未改变科学家深信自盘古开天辟地以来,宇宙是静态、永恒不变的根深蒂固想法。

牛顿在 1687 年提出万有引力来阐述宇宙星球的运行,但只有一个吸引力的宇宙是不可能保持静态的,因此牛顿理论需要一个持续的奇蹟来保持宇宙的静态,防止宇宙的崩溃(即防止宇宙因为太阳和恒星被拉到一起而崩溃)[1]

爱因斯坦 1915 年发表包括重力在内的广义相对论後,当然也思考着宇宙结构的问题。但他 1917 年所提出来的宇宙模型也像其它只有吸引力的模型一样,谓宇宙是不可能保持静态,只能膨胀或收缩!所以爱因斯坦就将重力方程式做了「少许修改」,让宇宙能保持静态。

1929 年,美国天文学家哈柏(Edwin Hubble)分析了一些从遥远星群传来之光谱的测量结果,发现其频率很有系统地往较低之红色位移(red shift),其位移值随星群离我们之距离的增加而加大。显然地,遥远星群是依一定的规则在远离我们:距离我们越远,後退速率越快,称为「哈柏–勒梅特定律」(Hubble-Lemaître law)]。

  • 红移

多普勒效应(Doppler effect)或多普勒频移(Doppler shift)是因声音波源及观察者的相对移动而造成波频率变化的现象。当波源及观察者互相接近时,观察者会测到波源的频率比原来的高;反之,当他们远离时,观察者会测到波源的频率例比原来的低。频率的改变与相对速度成正比。因为光也是一种振动,故也有类似的现象。就可见光而言,红光频率较低,蓝光频率较高,因此光频因两物体互相远离而变低时,我们称为「红移」(redshift);反之,我们称为「蓝移」(blueshift)。

这无可避免的结论是:宇宙正处於正在膨胀的状态!此一完全出乎意外的发现,改变了宇宙论这一研究的整个面貌!可是哈柏後来辩称,不确定性的有限数据似乎支持静止宇宙的概念,但他并没有明确排除宇宙膨胀的可能性,因此他从未获得诺贝尔奖——开玩笑的,他真正未得诺贝尔奖的原因见後。

有什麽证据可以说服像牛顿、爱因斯坦、哈柏这样的大科学家相信宇宙是在膨胀呢?

标准大霹雳宇宙论

一个正在膨胀的宇宙是一个动态改变的宇宙,因此应该具有生命的历史──甚至可能有出生与死亡。依现在广为大部份科学家所接受的「标准大霹雳宇宙论」(standard cosmological Big Bang model),现在的宇宙年龄大约是 140 亿年。

我们虽然对 140 亿年前的宇宙结构细节非常不清楚,但大部份的科学家均认为宇宙是由「一个时空特异点」突然大爆炸而出现的──虽然物理学家尚不知道可用什麽理论来解释该特异点。

刚爆炸时的宇宙处於一个高度均匀、非常高温、及高辐射能密度的状态;大约 10-12 秒後,温度下降到太阳核心温度的一亿倍时,我们现在所知道的自然力就出现了,此时被称为夸克的基本粒子在能量海洋中自由游荡。大约 10–6 秒时,自由夸克就被限制在中子和质子中。大爆炸一秒钟後,宇宙充满了中子、质子、电子、反电子、光子、和中微子。之後,随着宇宙继续膨胀,温度也继续下降,质子和中子开始结合形成原子核,然後又与电子结合形成现今宇宙中主要成分的氦和氘原子。这些中性原子透过重力开始合并成气体云,慢慢演变成恒星。当宇宙膨胀到现在大小的五分之一时,恒星已经形成了可以识别的年轻星系群体。

在电子、质子、和中子结合形成不带电之原子前,因辐射能直接与带电体作用,故宇宙是「不透明」的。当宇宙膨胀持续了 38 万年、比现在小 1000 倍、温度只有 ~3000°K 时,中性原子开始大量出现;宇宙学家称此一时期为「复合时期(recombination epoch)」。因为中性原子不能散射辐射,故辐射能在其间自由游荡,宇宙於是就变「透明」了,宇宙学家称此一事件为「光子去耦(photon decoupling)」。

黑体辐射光谱

在物理学上,黑体(blackbody)是可以吸收所有入射电磁辐射的理想物理体;因它吸收所有颜色的光,故呈黑色,称为「黑体」。黑体也发射所有频率的电磁波,称为「黑体辐射」;其频率分布称为「黑体辐射光谱」(blackbody radiation spectrum)或「黑体光谱」。

实验发现黑体光谱与物体之形状或成分完全无关,只与其温度有关。古典物理没办法解释黑体光谱,导致了量子力学的发展(详见《量子的故事》)。处於恒温之热平衡状态的物体会发射该温度之黑体辐射,其频率或波长分布如上图。

黑体辐射的总能量与其温度的四次方成正比,称为「斯特凡-玻尔兹曼定律」(Stefan–Boltzmann law);其光谱的峰值波长与其温度成反比,称为「维恩位移定律」(Wien displacement law)。太阳表面温度约为 6000°K,其光谱的峰值落在可见光的范围,正是我们眼睛所能感应到的电磁波(见上图)!

你说这是巧合还是演化的必然结果?

宇宙微波背景辐射——理论

1960 年代,普林斯顿大学物理学家迪克(Robert Dicke)及学生皮布尔斯(Jim Peebles)对 38 万年前可以自由地穿过宇宙的辐射感到兴趣,开始探讨这些辐射遗留下来的可能性。他们推论说:如果宇宙是根据大爆炸理论创造的,那麽在「光子去耦」时,这些辐射应与物质作用达到平衡,其频率分布应是 3000°K 之黑体辐射的光谱,强度最高的辐射在红外线区(波长约为 970 nm)。托尔曼(Richard Tolman)在 1934 年的《相对论、热力学和宇宙学》一书谓:宇宙因膨胀而温度一直在下降,辐射频率的分布当然也一直随其温度在改变,但却永远保持着黑体辐射的分布特性。

去耦时的宇宙大约比现在小 1000 倍,温度大约为 3000°K,因此当宇宙空间膨胀到现在之值时,当时之黑体辐射峰值波长便应该增长 1000 倍到微波范围的 970 μm。因黑体光谱的峰值波长与其温度成反比,故如果黑体辐射峰值波长增长 1000 倍,黑体的温度便应该下降 1000 倍到 ~3°K。所以现在的宇宙应充满着 ~3°K 的黑体辐射,称为「宇宙微波背景辐射」(cosmic microwave background radiation,缩写为 CMB 或 CMBR)。

迪克及皮布尔斯都是动嘴不动手的理论物理学家,因此只好说服同事威尔金森(David Wilkinson)和罗尔(Peter Roll)去安装天线搜索这些辐射(有心栽花…… )。

宇宙微波背景辐射——侦测

几乎就在同时,贝尔实验室的彭齐亚斯(Arno Penzias)和威尔逊(Robert Wilson)抓住机会,将该实验室本想作废的一个巨大的 20 英尺喇叭形天线,转来作为辐射望远镜,以放大和测量来自星系之空间的无线电信号。为此,他们必须消除来自地面之雷达和无线电广播的影响,并通过液氦冷却接收器本身来抑制其核心的干扰。

在排除了能想到的一切过量辐射的来源後,他们发现接收器中仍持续存在有一种低沉、稳定、神秘的噪音。这残留的噪音不但比他们预想的强烈一百倍,还昼夜均匀地散布在天空;他们再次彻底检查了设备,甚至清理了一些堆积在天线中的鸽子粪便後,噪音依然存在。显然地,这 7.35 厘米波长的辐射不是来自地球、太阳、或我们的银河系,而是来自银河系外。可是什麽地方呢?

当麻省理工学院物理学教授伯克(Bernard Burke)告诉彭齐亚斯他曾看到皮布尔斯的一篇预印本论文,讨论在宇宙出现後可能留下的辐射时,彭齐亚斯和威尔逊立刻意识到他们之发现的可能重要性。彭齐亚斯打了电话给就在附近工作之迪克,要了一份尚未发表的皮布尔斯论文。读完该论文後,彭齐亚斯又打了电话给迪克,邀请他到贝尔实验室看喇叭天线,欣赏背景噪音。迪克与贝尔实验室的研究人员分享了他的理论工作後,认为後者(无心插柳)所发现的微波辐射正是他们正在寻找的大爆炸的标志(柳成荫)。

为了避免潜在的冲突,他们决定联合发布他们的结果。 两封快报同时迅速地在 1965 年的《天体物理学杂志》(Astrophysical Journal)出现。在该杂志里,迪克和他的同事先概述了宇宙背景辐射作为大爆炸理论证据的重要性,然後彭齐亚斯和威尔逊报告了 3.5°K 之残余背景噪音实验,并谓迪克快报中的理论正可能是噪音的来源。

彭齐亚斯回忆说:「当我们第一次听到莫名其妙的嗡嗡声时,我们不明白它的意义,我们做梦也没有想到它会与宇宙的起源有关。直到我们对声音的起源用尽了所有可能的解释後,我们才意识到我们偶然发现了一件大事。」彭齐亚斯和威尔逊因意外发现「微波背景辐射」而获得了 1978 年的诺贝尔物理学奖。提供理论解释的迪克及皮布尔斯则被排除在外[2]。据皮布尔斯的回忆:迪克在挂断彭齐亚斯之电话後,曾无奈地向普林斯顿大学的同事说:「完了,同事们,我们被别人捷足先登了(Well, boys, we’ve been scooped.)」。皮布尔斯虽然在 1978 年与诺贝尔奖失之交臂,但在 2019 年还是因在物理宇宙学方面的贡献而获得诺贝尔物理学奖。

宇宙微波背景辐射——谁先提出?

事实上早在 1941 年科学界就开始有几个对宇宙空间温度的估计,但这些估计存在两个缺陷。

首先,它们是对宇宙空间有效温度的测量,并不表明宇宙空间充满了黑体光谱。

其次,它们依赖於地球在银河系边缘的特殊位置,也没有表明辐射分布与方向无关。尽管如此,现在很多文献都错误地认为第一位提出宇宙微波背景辐射的科学家是名科普作家伽莫(George Gamow)。

1940 年代初期,伽莫想知道早期宇宙的条件是否会产生科学家现在所观察到的氢、氦、和其他元素。这项研究需要核物理知识,但当时美国的大多数核物理学家都被招募去发展原子弹,因此伽莫基本上是独自一人在研究核合成问题。伽莫本人并不特别擅长数学计算,因此建议他的博士生阿尔弗(Ralph Alpher)去做这杂事。他们假设大爆炸後的宇宙非常热、充满了中子,原子核是透过一次捕获一个中子而形成的,偶尔原子核会衰变产生一个更重的原子核(加上一个电子和一个中微子)。在 1948 年 4 月的论文里,他们成功地预测了宇宙中氢和氦的比例(占所有原子的 99.99%),为大爆炸模型的另一次重大胜利。

在上面提到的 1948 年的论文里,伽莫和阿尔弗并没有提到「宇宙初始膨胀的残余辐射」。几个月後,阿尔弗和约翰霍普金斯大学同事赫尔曼(Robert Herman)发表了另一篇论文,谓现今观察到的氢和氦浓度说明了在宇宙诞生後的几分钟内,宇宙的温度曾经处於十亿度的范围内;并预测那早期宇宙中强烈辐射的微弱残余现今大约在「5°K 左右」(两年後他们重新估计为 28°K)。事实上,阿尔弗说伽莫最初是反对这一预测的;他在 1997 年 8 月 25 日的一封信中写道:

1948 年末,我和赫尔曼发表那篇论文後,伽莫三年来对预测(宇宙背景温度)的贡献一直是:对其正确性及意义强烈地表达了保留意见。後来他返回(这题目)并发表了几篇论文,在理论上承认了这种辐射的存在,但继续错误地计算其性质,混淆了数年的(历史)文献!

结论——从背景辐射,到恒星的「种子」

事实上彭齐亚斯和威尔逊并没有探测到辐射具有黑体的光谱分布;在 8 个月後,威尔金森和罗尔的实验才总算开花显示出 2.7°K 光谱分布的证据。但完全证明辐射的黑体性质则在更长的时间後才出现。静态宇宙论虽然也可以解释宇宙背景温度,却没办法解释其光谱分布,因此黑体微波背景辐射光谱的发现终於巩固了大霹雳宇宙论在天文学上的地位!

一个在空间均匀分布的辐射怎麽可能产生星球呢?因此这一充满空间的辐射必须有一些局部变化⎯⎯无论多麽轻微,来提供形成物体的「种子」。1970 年代,天文学家发现了宇宙背景辐射在不同方向上确实有些微差异。这一发现激发了美国宇航局投入数十亿美元,在戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)开始研制一种不仅可以测量背景辐射的变化,还可以证明它是黑体辐射的「宇宙背景探测器」 (COsmic Background Explore;COBE)卫星。

宇宙背景探测器於 1989 年发射。它准备花四年的时间来观察蒐集资料。但在几个小时内,它就证明了宇宙背景辐射的光谱分布确实是黑体,完全符合与来自大爆炸时的理论计算。在 1992 年 4 月 3 日的新闻发布会上,加州大学柏克莱分校的天文物理学家斯穆特(George Smoot)宣布卫星探测器侦测到了宇宙微波背景的微小波动,为研究早期宇宙的一个突破:「我们观察到早期宇宙中最古老和最大的现代结构(如星系、星系团等)的原始种子。不仅如此,它们也是(宇宙)创造时期遗留下来的时空结构中的巨大涟漪」;并谓「如果你有宗教信仰,那就像是看到了上帝」。马瑟(John Mather)与斯穆特「因发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性」而获得 2006 年诺贝尔物理学奖。

哈柏的发现改变了整个宇宙论研究的面貌,这麽大的贡献,为什麽他从未获得诺贝尔奖呢?原来那时的诺贝尔奖物理委员会不承认天文学是物理!因为这个关系,哈柏後来一直在努力争取诺贝尔奖承认天文为一物理学的工作。

注解

  • 注 1:因为正在撰写这篇文章,笔者在此就卖个关子,不谈牛顿如何解决这个问题。
  • 注 2:是否因诺贝尔奖最多只能给三人之故就不得而知了。有趣的是:当初杨振宁与李政道因提出理论而获得诺贝尔奖,吴建雄及雷德曼(Leon Lederman)之实验验证则被排除在外。

延伸阅读

  • 赖昭正:「我爱科学」(华腾文化有限公司,2017 年 12 月出版):里面收集了下面那两篇文章。
  • 爱因斯坦的最大错误–宇宙论常数 (科学月刊 2011 年十二月号;或泛科学 2011/12/11) 。
  • 黑体辐射的光谱分布请参考「太阳能与光电效应」(科学月刊 2011 年十二月号)或《量子的故事》, 新竹凡异出版社,第二版 (2005)。
  • 赖昭正译(P.C.W. Davies 原着):「近代宇宙观中的空间与时间」(新竹国兴出版社,1981 年 8 月出版)。

  • 数感实验室即将开设「数感宇宙探索课程」,填写调查问卷就能优先收到早鸟优惠!

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