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2019-11-292019 諾貝爾物理學獎 宇宙學 600 期

Author 作者 蔣龍毅/中央研究院天文及天文物理研 究所副研究員,主要研究主題 為宇宙學,微波背景輻射及宇宙大尺度結構。
當今(2019)年 10 月 8 日在瑞典斯德哥爾摩的皇家科學院宣布皮博斯為今年諾貝爾物理學獎得主,網路世界如臉書、推特等都紛紛響起一片讚譽。過去三個和宇宙學相關的諾貝爾獎都授予觀測成就,如1978年頒給觀測到宇宙微波背景輻射(cosmic microwave background, CMB)、2006 年觀測到CMB 的黑體形式及細微的異向性及2011 年的宇宙加速膨脹。皮博斯是首位獲頒諾貝爾獎的理論宇宙學家,以表彰他在宇宙物理學(physical cosmology)的理論貢獻。

皮博斯的研究生涯也確實幾乎等同於宇宙物理學理論建立的過程。他曾經在訪談提到自己的研究生涯樣態是隨機漫步 (random walk),他不喜歡一輩子只追求單一研究主題,因此很難指出一項劃時代的發現,但他對宇宙學的貢獻是全面性的,從CMB理論的逐步建立,暗物質、暗能量到宇宙大尺度結構的演化,都有他漫步的足跡。

現今宇宙演化模型

自古以來人類對宇宙的好奇都侷限在神學或哲學性的思辨。到了上個世紀初,宇宙學隨著近代物理從最小尺度的粒子物理學,到最大尺度的廣義相對論發展逐步建構而成。現今所廣為接受的宇宙演化模型稱為「具宇宙常數的冷暗物質 (ΛCDM)」,說明宇宙年齡為138 億年,含有5%的一般物質、26%暗物質及69%暗能量。宇宙極早期經歷暴脹(cosmic inflation),把原先已達成熱平衡的區域膨脹,造成CMB 的同向性。隨著溫度下降,宇宙從大霹靂至此歷經38 萬年物質與光子脫離耦合 (decoupling)且變得透明,早期宇宙演化的特徵就印記在這些光子,經宇宙膨脹成為CMB。而脫離耦合的物質在重力的影響漸漸聚集形成星系及星系團等。原本慢下來的宇宙 膨脹在約50億年前,由於暗能量的影響開始加速膨脹至今。
 

追逐宇宙微波背景輻射

其實皮博斯在50 年前就曾與諾貝爾獎失之交臂。1950 年代起,科學家在兩個宇宙演化理論,大霹靂模型及穩態宇宙理論之間爭論不休。大霹靂指的是宇宙從極度高溫態降溫膨脹;穩態宇宙論則認為宇宙的密度在動態中大致保持恆常。 此僵局被CMB的發現所打破。CMB作為熱霹靂宇宙理論的證據,它的發現非常戲劇性,而皮博斯在這場追逐CMB 的競賽裡扮演著舉足輕重的角色。

1940、50 年代以伽莫夫(George Gamow)為首的科學家根據大霹靂模型計算出宇宙餘溫溫度,但此理論鮮為人知。而 1950 年,代魯克斯(E. Le Roux)及舍莫諾夫(T. Shmaonov)都分別在他們的博士論文提及量測到不知名電波雜訊,於波長33 cm 時溫度各為3±2 K 及於3.2 cm 時的 4±3 K。1960 年代中期,當皮博斯還是普林斯頓大學的研究生時,與指導教授迪克(Robert H. Dicke)根據布蘭斯-迪克理論(Brans-Dicke theory)估算出宇宙餘溫,並且嘗試著組建電波望遠鏡探測CMB。同時,就在距離普林斯頓大學60公里遠處,彭齊亞斯(Arno Penzias)和威爾森(Robert Wilson)兩位貝爾實驗室的科學家也在檢驗一個高靈敏度微波號角型天線,他們發現此天線持續的量測到同向性 (isotropic)的雜訊。


為了排除此雜訊,他們甚至清除掉天線裡的鴿子糞,但雜訊仍持續且非由特定的天體所發出。而比起前面兩位博士生幸運的是,麻省理工學院的柏 克(Bernard F. Burke)教授聽過迪 克的演講,把他們量測到的雜訊消息傳到在普林斯頓大學的迪克及皮博斯,兩人立即知道自己被搶先一步,他們所發現的正是大霹靂餘暉,宇宙演化的證據。彭齊亞斯及威爾森隨後在1978年摘下諾貝爾物理獎桂冠。……【更多內容請閱讀科學月刊第600期】