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意外发现的大爆炸理论

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:9

    意外发现的大爆炸理论

    科学家聚集到1964年发现宇宙微波背景(Cosmic Microwave Background,下文简称CMB)的实验室,来庆祝这一发现50周年纪念日。CMB的发现给大爆炸理论提供了第一个证据。

    Arno Penzias和Robert Wilson 50年前发现了支持大爆炸理论的证据,这一发现为他们日后赢得了诺贝尔奖,不过这一发现并非灵光乍现的产物,相反的,他们当时很沮丧,以为望远镜出了问题,探测到的背景“噪声”掩盖了他们原本要寻求的数据。后来他们才意识到这些噪声事实上是一些宇宙中最古老的光,也就是所谓的宇宙微波背景辐射。天文学家盛赞他们的工作。

    “那时候可真失望啊!”Wilson在CMB发现五十周年纪念会上回忆道。“当然,回想起来,这看起来凌乱的记录还是我们关于大爆炸假说最早的证据。”5月20日,Wilson,Penzias和其他科学家聚集在CMB的发现地——新泽西州霍姆德尔镇的贝尔实验室1964年,这两位科学家在此意外发现了在大爆炸后不久留下的微弱的光,那时,宇宙已经从初期的高温稠密状态冷却了下来,光子这才得以能在其中自由穿梭。从大爆炸开始,那道早期的光一直在宇宙中穿行,直到在贝尔实验室有效直径六米喇叭天线射电望远镜中呈现为他们观测到的静态噪音(射电天文学术语,人工设施引起的各种干扰)。

    一开始,Penzias和Wilson提出了很多种可能的解释来说明为什么会出现本不该有的光,不过最后都予以了否定,这其中就包括那个著名的猜想——鸽子的排泄物污染了天线。“我和Arno找了个梯子爬上去,把天线内部刮干净。”Wilson描述道,但结果没有改变——那光依旧存在。最终,他们意识到他们观测到的光与20世纪20年代首次提出的大爆炸理论假设的预言几乎完全相符。它为宇宙起源于非常紧密的状态,之后一直在膨胀这个假设提供了一些最初的证据。这项发现的影响是如此的深远的,Penzias用颇具精神意味词语来描述它。“因为这个发现,大爆炸理论几乎成了我的信仰。”他在纪念活动上说。

    1978年,Penzias和Wilson因为发现了宇宙微波背景辐射而被授予了诺贝尔物理学奖——这个发现至今仍在帮助我们揭开宇宙一层又一层的面纱。今年3月,BICEP2项目组(宇宙泛星系偏振背景成像)的科学家宣布,他们探测到CMB中的极化信号,这可能是由在大爆炸之后宇宙极速膨胀(成为暴涨期)的引力波导致的。如果这个发现站得住脚,那我们对于早期宇宙的理解将会有一个很大的飞跃。50年前,Penzias和Wilson的突破发现直接使我们对于宇宙的认识成为可能。

    CMB的发现与BICEP2的工作凸显了过去几十年间,天体物理学研究方法的重大变化。当年两个人用一部小型望远镜做出了最初的发现;而如今,来自全球11个机构的数百位科学家参与了BICEP2的合作研究,使用了位于南极的世界上最先进的设备来探测信号。2012年希格斯玻色子的发现也是类似的情况,来自全球的数千位研究者通力合作,使用了造价数十亿美元的粒子加速器。这种趋势是明显的:如今,想要做出重大发现,需要大规模合作,还需使用大型昂贵的研究设备。“这是科研规模的不同。”Wilson说,“我个人喜欢小团队的工作方法——你想到做什么就可以去做什么。”

    在上世纪60年代,有大段的电磁谱段没有被天文学家探究过,首先使用仪器探测这些未知领域的人就能很容易地获得突破性的发现。如今,想找到这种还没被探索过的领域要困难的多。“已经不存在我们没研究过的大段光谱了。”Wilson说,“如果去看看以前从没人测算过的参数,可能会有新的发现。”

    现在科学家想要寻找的信号类型越来越精细微弱,因此他们需要极先进的望远镜和设备,没有一支强大的队伍给予技术和资金支持这简直就是天方夜谭。此外,这些实验常常产生海量的数据,需要成百上千的研究人员来做数据分析,一般还需要计算机、计算机集群或者超级计算机的帮助。

    但这并不意味着没有尚未解决的大谜题了,也不意味着无法再取得像CMB这样惊天动地的发现。正如Wilson指出的,暗物质和暗能量是宇宙中物质和能量的主要形式,但我们现在对它们还是一无所知。“我们确实不知道,96%的宇宙是什么样的。”他说道。(作者:Clara Moskowitz 翻译:杨青 校审:张哲)

    原文链接:https://www.scientificamerican.com/article/smart-luck-how-the-big-bang-was-found-by-accident/

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