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捕捉引力波背后的故事(之十六):南极上空的乌龙 精选

已有 6740 次阅读 2018-6-18 08:00 |个人分类:科学历史|系统分类:科普集锦

2014年3月17日,正当LIGO的年轻人在争分夺秒地完成aLIGO的升级换代时,一场盛况空前的记者会在哈佛大学召开。通过互联网实况转播,全世界有将近一千万人在收看。很快,消息在网上轰动性地传开。各大主流媒体也紧跟着发出振奋人心的新闻稿,其中充斥一连串引人入胜的大名词:“宇宙大爆炸”、“暴涨”、“多重宇宙”、……“引力波”。

即使在学术界,圈内的物理学家也按捺不住兴奋,纷纷赞誉这将是人类历史上最重要的科学发现之一。

这个划时代的观测结果没有来自汉福德和利文斯顿,而是地球上最为人迹罕至的地点之一:南极。

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1980年,萨根为美国公共电视台制作了一个收视率破纪录的科普系列电视片《宇宙》(Cosmos: A Personal Voyage)。他在第九集开场的第一句话是,“如果你想从零开始烤制苹果派,那你首先需要发明宇宙。”(If you wish to make an apple pie from scratch, you must first invent the universe.)

如果没有宇宙,我们不会有面粉、苹果、糖;不会有小麦、苹果树、甘蔗;不会有土地、水、阳光;不会有地球、太阳;不会有碳、氧、氢等各种元素;不会有质子、中子、电子、光子……当然,也不会有我们自己,便无从烤制苹果派。

自从1964年贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊误打误撞地发现了宇宙微波背景辐射后,原来匪夷所思的大爆炸理论开始得到普遍地接受。因为那个辐射便是大爆炸的遗迹,犹如考古发现的化石。

不过,如果宇宙自大爆炸发生后便一直像今天这样地膨胀,却也无法解释宇宙的一些特征(其中之一是巴里什梦寐以求的磁单极之不存在)。为了解决这个困难,物理学家在1980年代提出“暴涨”(inflation)理论,弥补了缺陷,构造出更具体的宇宙初始图像。

在大爆炸发生后10-36到10-32秒时,也就是一万亿分之一的一万亿分之一的一万亿分之一秒后的那“一瞬间”,宇宙有过一次剧烈的“暴涨”。在所有的空间尺度呈指数增长,“一下子”扩大了大约1026(e60)倍。起初只有微小的基本粒子尺度的宇宙便具备了可观的大小。暴涨结束后,宇宙依然继续膨胀,但不再那么剧烈。

暴涨之后的宇宙是炼狱般的高温(1032度),没有星球,没有原子,但充满着电子、正电子、质子、中子、光子、中微子这些基本粒子。这是一种特殊的“等离子体”(plasma,老一代中国物理学家曾经翻译为“电浆”,也许更为形象)。这个电浆如此稠密,光子没法自由运动,是一个完全不透明的“黑暗”世界。

大约38万年以后,这个“年轻”的宇宙终于通过膨胀冷却到了3000度以下,质子和电子第一次可以结合成稳定的氢原子。充满宇宙的粒子气体不再是带电的粒子,而是中性的原子,光子可以在其间自由穿梭。如同满屋子的水蒸气在温度降低后凝聚成水滴,宇宙突然变得透明。这些光子便是大爆炸之后所能见到的第一束光,宇宙的第一抹“曙光”。

再经过一百多亿年,宇宙继续膨胀、冷却,逐步演化成为今天丰富多彩的世界。那原始的第一束光随之耗散、冷却之后,便是彭齐亚斯和威尔逊发现的宇宙微波背景辐射。

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因为量子力学中特有的随机性,高速运动质子和电子会自发产生密度涨落:它们在有的地方多一些,有的地方少一些。凝聚出来的氢也有相应的密度差异。引力在这时成为主导力量,密集的氢因为互相之间的引力逐渐汇聚在一起形成早期的星球,然后又在自身重力的压迫下发生一系列核聚变反应。于是我们才有了氦,有了碳,有了金属,有了行星……然后,出现了人类,发明出如何烤制一份美味的苹果派。

就像起初的大爆炸一样,暴涨理论很难被大部分物理学家接受。近乎不可思议地,这个理论还必然地推论出暴涨过程中的宇宙不是单一的,而是同时会出现大量平行、互相隔离的宇宙。我们所在的宇宙只是其中之一。这就是所谓的“多重宇宙”(multiverse,与universe相对),似乎现代宇宙学已经侵入了科幻小说的领地。

不过,这个理论最大的弱点也是与费曼几十年前讥讽当时的宇宙学如同一辙:说得天花乱坠,却只是纸上谈兵,没有实际依据。

当然,人类不可能在实验室里制造出一个大爆炸来观察、验证,最多只能像考古学那样:寻求远古的化石,仔细钻研化石上残留的蛛丝马迹,试图还原出那过去的故事。

最早的化石便是宇宙微波背景辐射,那是宇宙38万年时的产物。它是否含有更早期的“宝宝”宇宙留下的蛛丝马迹呢?的确有可能,那却有赖于我们的老朋友——引力波。

早期电浆中的密度涨落是质量的变动,因此会激发出引力波。引力波与光子相互作用,能够影响光子的偏振(polarization)态,使之呈现出一种B模式(B-mode)。这个B模式会一直残留到今天的宇宙微波背景辐射中,便是我们可以寻找的蛛丝马迹。

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彭齐亚斯和威尔逊的天线设备相当简陋。他们发现宇宙微波背景辐射无时不有无处不在,似乎是均匀的地弥漫于整个宇宙,各个方向没有区别。

我们现在已经习惯于用微波炉加热甚至烹调食物,非常快捷方便。这是因为食物中的水分很容易吸收微波的能量。因为同一原因,我们在地球表面很难精确测量来自太空的微波,因为它们绝大部分已经被大气层中的水气吸收。

韦斯在麻省理工学院发明干涉仪的同时就在设计用气球携带仪器上升到大气稀薄的高空测量宇宙微波背景辐射。在他苦于找不到干涉仪的资助而走投无路时,美国航天局对他的微波实验发生了兴趣,不仅提供资助,还聘请他担任宇宙微波背景辐射探测委员会主席,主持将仪器装载到人造卫星上进行大气层之外测量的大项目。

1990年代初,一颗名为“宇宙背景探测者”(Cosmic Background Explorer,简称COBE)的卫星对宇宙微波背景辐射进行了第一次全面、精细的测量,发现该辐射并不是完全均匀的存在,宇宙空间不同区域之间的辐射温度有着千分之一量度的差别。这个结果证明了大爆炸之初的宇宙的确存在密度差异。现在辐射温度稍微高的地方便是当初密度稍微大一点的区域,这些地方后来发展成星系、星系团、星云等等的所在。

COBE_cmb_fluctuations.png

1990-1992年间COBE卫星拍摄的宇宙微波背景辐射温度分布图。

主持这项测量的物理学家斯穆特(George Smoot)激动地回顾,当他看到COBE描绘出的这个图像时,仿佛“看到了上帝的脸”。斯穆特和马瑟(John Mather)因为这个项目荣获2006年诺贝尔奖。作为该项目先驱、领路人的韦斯却被擦肩而过。

COBE之后,物理学家乘胜追击,开始了一个叫做“宇宙外星系偏振背景成像”(Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization)的测量项目——之所以采用这么一个拗口得不知所云的名字,也只是为了凑出一个强有力的缩写:BICEP(“二头肌”)。他们设计了一个新型的能精确测量微波辐射的望远镜,安装在南极点附近。

南极看起来冰天雪地,其实却是一个高原沙漠。那里海拔2700米,空气稀薄。更因为极其寒冷,大气中也几乎没有水分子。(南极本身没有雨雪,地面上的冰雪是被风从远处吹来堆积而成)。在无法或没钱把望远镜装上高空气球或人造卫星时,南极是地面上观测微波辐射最佳地点之一。

Dark Sector Lab__BICEP2.jpg

位于南极的BICEP2望远镜(前面房顶上),后面是另一座“南极望远镜”(South Pole Telescope)。

相对于LIGO的大科学大协作,BICEP只是寥寥几个人的小团队。他们的任务看起来也简单得多:在微波辐射的偏振中寻找B模式,“只”需要三千万分之一的灵敏度。更优越的是他们不需要苦苦等待那不知道什么时候才可能发生的巨星碰撞。如果B模式存在着,它随时随地都在那里等着被发现。

然而他们也有类似LIGO的难处。宇宙空间弥漫着微波辐射,并不都来自远古的大爆炸。当这些微波被银河系中的宇宙尘埃(cosmic dust)散射时,也会带上B模式偏振。这些就如同LIGO中的环境噪音,稍不留神就可能以假乱真。

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2014年3月17日召开的记者会便是宣布第二代的BICEP2已经成功地在宇宙微波背景辐射中观测到B模式偏振,而且其强度比预计的高很多。这个结果为暴涨理论提供了第一个切切实实的证据支持,因此也同时证实了让媒体、爱好者更为兴奋的多重宇宙。

早在1978年,泰勒和韦斯伯格通过对中子双星的轨道塌缩测量已经间接证实过引力波的存在。但在哈佛的记者会上,他们依然强调他们也由B模式偏振而发现了引力波。的确,他们的结果具备新的特点:其一,BICEP2“观察”到的是最原始的引力波——宇宙大爆炸的“第一次震颤”;其二,引力波对光子偏振态的作用是引力与量子力学结合的第一个证据,可以为“量子引力”(quantum gravity)注入新的生命力。

应邀作为与实验无关的“中立人士”在记者会上讲解的物理学家卡米尔考斯基(Marc Kamionkowski)当场形象地描述道,“如果这个结果靠得住的话,暴涨已经给我们送来了一份电报,以引力波的方式书写在微波背景的天空中。”

或者说,我们不仅看到了创世纪时上帝的脸,而且找到了他的指纹。

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虽然BICEP2团队是搜寻B模式的先行者,他们并不孤独。在他们取得数据时,另外几个用不同方式测量的团队也已接近成功,包括他们最强劲的竞争对手:欧洲航天局专门为测量微波背景辐射发射的新型人造卫星“普朗克”号。

一方面,他们希望能多角度地核查自己的数据;但另一方面他们更害怕因为等待而失去这一具里程碑意义的发现的优先权,痛失稳拿的诺贝尔奖。他们曾请求普朗克团队提前分享数据做对比,被拒绝。于是他们只能根据对方在一次公开演讲用的图表粗略估算其背后的数据,似乎与他们自己的测量没有冲突。

当那场记者会召开时,他们尚未完成论文,也就还没有经过同行评议的考验。但他们已经等不及了。记者会之后,他们把论文稿在物理学界熟知的预印本网站(arXiv.org)公开。于是,一场自发的、群策群力的同行评议随之展开。

三个星期之后,论文还没有正式提交。但这个结果如此轰动,预印本网站上已经出现250篇与此有关的新论文。在这么多的瞬时引用中,已经有个别文章指出他们探测到的也许不是大爆炸的回音,而只是来自银河系内宇宙尘埃——也就是“噪音”。两个月后,普林斯顿大学的天文学家发表了论文,详细论证了BICEP2团队明显低估了银河尘埃的影响。

三个月后,BICEP2团队的论文通过了同行评议,发表在《物理评论快报》上。这个正式发表的版本与他们公开的预印本有显著的修改。因为匿名审稿人的建议,他们删去了有关与普朗克卫星数据相对比的部分,因为他们的估算并不可靠。但这时,对他们结果表示怀疑的舆论也已经开始压过赞赏的。

再后来,普朗克卫星团队正式发表了他们的数据,证明银河系尘埃的噪音与BICEP2所测得的信号同级,也就是说后者的结果不具备统计意义。BICEP2团队不得不撤稿,一场轰动全世界的重大科学发现极为难堪地落幕了。

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《物理世界》报道BICEP2结果被否定的新闻,题目一语双关地指出他们“吃了一口土”(bites the dust)。

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费曼曾经指出过,科学研究中最重要的是“你不能糊弄自己,而你自己恰恰是最容易被蒙骗的人。”(The first principle is that you must not fool yourself--and you are the easiest person to fool.)无论是出于过度的自信,还是过于期望梦想成真,BICEP2团队被他们自己的热情和轻率蒙骗了。

失望的还不止是始作俑者,还有霍金。霍金曾经为了暴涨理论与图罗克(Neil Turok)打过一个赌。因为BICEP2的结果,他以为终于能够赢得一局。倒是图罗克比较冷静,没有立刻认输,反得以笑到最后。

尘埃落定之后,普林斯顿大学的爱因斯坦讲席教授斯坦哈特(Paul Steinhardt)在《自然》(Nature)杂志撰文,满怀激情地鼓励实验物理学家不要灰心丧气,应该再接再厉,继续探寻暴涨理论的是非证据。但同时他也严肃地提醒道:全世界都会在密切注意着这个动态,以后要切切保证测量结果中没有混杂环境因素,应该在论文提交、同行评议之后才能召开记者会宣布,应该及时公开所有的数据分析资料……

因为BICEP2的乌龙,这个领域的物理学家从此也背负上了韦伯式的原罪。


(待续)




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