2014年7月30日 星期三

DDS046-「引力波(III)」

(承前文)在前兩篇短文(DDS044 DDS045)中,我針對此次「引力波」的偵測以及與其相關的兩個主要科學議題(即「引力波」和「遽膨/劇脹説」),向讀者您做了一些簡單介紹,現在就讓我們回頭再來看看,該發現的一些實質內容及其爭議之所在。

首先,該團隊又被泛稱為 BICEP2 團隊(BICEP Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 研究計畫的縮寫簡稱),前後共有成員約 20 40 人參與。該研究之規劃肇始於 2006 年,到2009 年時,才在南極設立完成觀測所需的天文望遠鏡,並開始收集相關的觀測資料,該項工作直至 2012 年時才結束。他們之所以選在南極設立觀測基地,主要是因那裡的大氣層薄又乾燥,特別有利於無線電波的觀測。再次提醒,該團隊並非直接觀測「引力波」,而是間接觀測「引力波」對「宇宙微波背景(cosmic microwave background)」的影響〔註:若要能直接觀測「引力波」的存在,還是得借助 LIGO 雷射干涉計的測量;見前文 DDS044-「引力波(I)」〕。

下圖(CreditSteffen Richter, Harvard Universityfromhttp://www.space.com/25746-bicep2-team-discusses-findings.html)位據中間者即是 BICEP2 天文望遠鏡在美國南極基地的照片,其左為 「南極望遠鏡(the South Pole Telescope)」,其右則為另一稱為 「Keck 的列陣望遠鏡(the Keck Array telescope)」,此後二者,因為觀測位置和天候條件和BICEP2類似,將來所得結果,應可用來和 BICEP2 的結果彼此相互驗證。圖片中也正好攝入該基地運補飛機(LC-130),於運補任務完成後,離地起飛時的英姿。


如前文 DDS008-「宇宙微波背景」輻射圖所述,「宇宙微波背景」圖,主要是呈現宇宙在「大爆炸」38 萬年後的溫度變化,這些不同的溫度,能引起「微波輻射」不同程度的偏光(polarization)效應,這時若有「引力波」的存在/干擾,就會造成偏光現象的改變,該團隊其實就是觀測「宇宙微波背景」圖受「引力波」影響下的偏光現象,稱之為 B-型(B-mode)圖輻(見下圖;CreditBICEP2 Collaborationfromhttp://www.space.com/25078-universe-inflation-gravitational-waves-discovery.html?cmpid=556786 )。圖中清楚顯示,原本的「宇宙微波背景」圖,呈現出一捲曲定向的偏光現象。由於這種偏光現象,主要是來自「引力波」的影響,而科學家們也相信,宇宙在「大爆炸」瞬間後的急遽膨脹過程中,由量子擾動(quantum fluctuations)所造成的「引力波」,即能引起此種偏光效應,因此,該團隊的偵測結果,當然也就證實了「遽膨/劇脹說」的理論。


該團隊窮其連續三年來的連續觀測(即上圖),窄看起來相當簡明有力,不容置疑,但卻引來學界隨後的高度挑戰甚至撻伐,究是為何?其實,整個問題的癥結在於,這B-型的偏光現象也可能是來自我們銀河系鄰近的塵埃(dust),而所有對該團隊研究成果的質疑,目前幾乎全都針對此㸃。因為,這類塵埃,由於其顆粒極小,也能造成宇宙微波輻射的偏光效應,在審視B-型偏光現象時,必須將其所引發的效應,予以確認並全部加以過濾扣除,才能看到「引力波」的真正影響。

針對此㸃,該團隊當然不是省油燈,更是個中高手,對此塵埃可能帶來的影響自是瞭然於胸,而事實上,他們也盡了所有能奈,取得一他們相信應可代表他們觀測區域(僅佔全宇宙 2% 的範圍)的平均塵埃量,並加以扣除。現在問題來了,其他學界同儕卻提出更精準數據(例如,比對來自歐洲航太中心 Planck 天文望遠鏡的觀測結果;Planck 的觀測範圍較 BICEP2 團隊大了許多,而且使用了 6 個不同的頻道),認為他們低估了我們銀河系外圍的塵埃量,也就是説,他們扣除的還不夠多,若把此更多塵埃量的影響刪減後,就不可能看到如該團隊所宣稱,那麼清晰明確的偏光效應,使得代表「引力波」的訊號就不再那麼確定,因而質疑他們是否真的間接偵測到「引力波」的存在。

這些排山倒海而來的質疑,也確實引起了該團隊的許多困擾,主持人也自承現在就像身陷風暴中心(I'm feeling like I'm at the eye of the storm),其他團隊成員,也不諱言他們對自己日前宣告的信心,正逐日流失中,也改口聲稱,還需要其他更多獨立的觀測,來驗證他們對塵埃引起偏光效果的估算是否偏低?除了以上科學內容上的辯證,當然也難免有些冷嘲熱諷的情緒用語在網路上流傳(我個人認為沒有必要,壞了讀書人的氣度,千萬不要學,但也要引以為愓);例如:「最好把慶祝香檳暫時先放回冰箱」、「先不要急著去訂到瑞典斯德哥爾摩(諾貝爾獎頒獎所在地)的機票,免得到時空手而回」等等,不一而足。

在諸多評論中,也有一些發人深省的警語,值得我輩從事科研工作者引以為鑑:科學是不可以投票的(想想台灣核四公投議題的荒謬),也不是喜好度調查,更不是選美比賽,任何號稱重大科學上的突破,不是只看其華麗外表,而是要能經得起他人的檢驗。對任何從事科研工作的人(特別是宣稱有重大科學突破的成果),有一嚴格的自我要求鐵律,那就是:「每一項成果,在未被證明是對的之前,都是錯的(Every claim of a scientific result is wrong until proven right)」。最終的結果如何,當然留待學界同儕間的驗證,但經過這樣的事件,又能給我們自己(大陸和台灣)本就薄弱的學界,帶來什麼樣的啓發呢?(全文完)

2014年7月19日 星期六

DDS045-「引力波(II)」

(承前文)由於「大爆炸」學說(見前文 DDS006 DDS007),固然說明了宇宙的起源(由最初一個「單㸃(singularity)」,持續加速膨脹迄今),但對於現今宇宙是如此的均質(特別是溫度的均衡分佈),卻難予以合理的解釋。為了彌補這個缺陷,大約在 1980 年八月間,當時還屬年青的著名天文學家 Alan Guth,提出一名為「宇宙遽膨/劇脹說(Cosmic Inflation)」的理論,意謂宇宙在「大爆炸」後的瞬間(10-32 秒),膨脹了近 100 兆兆倍(100 trillion trillion times)。該學説也同時預期,在這劇烈急速膨脹過程中,也同時產生了前面所謂的「引力波」,而且它的波紋能被存錄在宇宙形成 38 萬年後的「宇宙微波背景圖(Cosmic Microwave Background)」中(見前文 DDS008)。這「宇宙遽膨/劇脹說」,迄今已被視為「大爆炸」學說的主要支柱之一,也就是説,要完美解釋有關宇宙的起源,必須包括「大爆炸學說」和「宇宙遽膨/劇脹說」,兩者缺一不可。

〔註一:Alan Guth 目前任教於美國麻州理工學院,由於他對「宇宙遽膨/劇脹說」理論的貢獻,很可能也是今年諾貝爾物理學獎的熱門人選之一。

註二:你要是願意想像這「遽膨/劇脹」的場景的話,那就是宇宙在 10-32 秒內,由一長度為 1 奈米的大小,以倍於光速的速率,瞬間膨脹到等同 2.5 億光年的距離,以倍率來説,大概是 1060 倍以上。

註三:事實上,這「宇宙遽膨/劇脹說」在 1980 年提出時,僅止於是一種理論上的説法,並沒有任何實質上的證據,但因它能充分的解釋兩個一直困擾著天文學者的問題(見下註四),最後終被學界所認同,也成為有關宇宙形成過程中,一個最重要的關鍵歷程。

註四:宇宙學(Cosmology)中兩個最令科學家們困惑的問題是:

1)我們現今觀測到的宇宙,其溫度為何如此均一?因為,從熱力學角度來説,今天兩相距數億光年遠的天體,其溫度能如此相近,表示兩者當初形成時必需曾相互接觸過,而後由於宇宙持續加速膨脹,才能使得今天兩者雖相距如此之遠,但還能保有相近的溫度,也就是説,宇宙在最初形成過程中,必須要有一個急速膨脹的過程,才能符合目前我們觀測到的現象。


2)宇宙為何是平的?而不是球形,也不是馬鞍形(見前文DDS023)?因為假如沒有此一瞬間的劇烈膨脹,將宇宙空間原本可能的曲度(curvature)稀釋的話,現今我們觀測到的宇宙,就不可能會是平的(在宇宙學上,宇宙是平的是已被理論證實的;見前文 DDS023),當然要注意的是,宇宙是平的並不足證明「遽膨/劇脹説」,但「遽膨/劇脹説」的演繹結果卻可導至宇宙是平的結論。以上兩個問題皆必須藉助「遽膨/劇脹說」的挹注,才能讓「大爆炸」理論,更加圓滿解釋我們現今認為的宇宙形成模式。〕

下圖(fromhttp://physics.stackexchange.com/questions/113099/the-nature-of-the-big-bang)所示,即是結合了「大爆炸理論」和「遽膨/㓺脹説」,對宇宙形成歷程的完整圖解說明。注意:圖中下方橫軸代表的是時間;其中「大爆炸」和「遽膨/㓺脹」過程,在宇宙 138.2 億年的漫長形成過程中僅屬一瞬。另外,圖中也標記出,宇宙在不同階段,所歷經各主要事件(包括早期的質子形成、核融合和微波輻射過程)的時間。圖中上方,則是宇宙在瞬間急遽膨脹時,所釋射出來兩種截然不同的「引力波(gravitational waves)」和「密度波(density waves)」。特別值得注意的是,大約在「大爆炸」後 38 萬年時,「宇宙」中的光子(photons)才熾射出第一道曙光,在這之前,「宇宙」由於電子和光子的相互作用,是完全不透光的(opaque),也就是說,今天科學家們觀測宇宙,最早只能回朔到宇宙形成後 38 萬年的時候,在這之前是完全看不到的,而「微波背景輻射圖」」,代表的就是宇宙形成後 38 萬年時的最早微波圖輻。


因此,此次該團隊宣稱他們能偵測到宇宙「大爆炸」窄始時,所引發的「引力波」,實質上涵括了兩個重大的科學議題:其一是首次具體偵測到了,科學家們近數十年來,一直期盼能予以確認的「引力波」的存在(嚴格說來,還只是間接的;見前文DDS044);其二是等於連帶也證實了「宇宙遽膨/劇脹說」的理論,並提供了最強而有力的佐證,美式的說法是:「a smoking gun for the Inflation theory」。以下的精美圖幅(creditKarl Tate, Infographics Artistfromhttp://www.space.com/25075-cosmic-inflation-universe-expansion-big-bang-infographic.html),即是有關「遽膨/劇脹說」的簡扼說明,有興趣的讀者,不妨連接到該網站查閲。(待續)





2014年7月6日 星期日

DDS044-「引力波(I)」

在我前文(DDS039)中,曾提及今年三月中旬時,以美國哈佛大學 John Kovac 教授為首,來自各大學和研究機構的科學團隊,針對我們所在宇宙的源起,又有一驚人的重大突破,也引起天文學界一片振奮,因為該團隊宣稱,他們利用位在南極的天文望遠鏡,已偵測到宇宙形成瞬間(即「大爆炸(Big Bang)」後的一兆分之一秒後),由「引力波(gravitational waves)」所造成的光波圖像(light-wave pattern)。論者認為,這項重大的科學成果,是繼 25 年前,首度證實宇宙持續在加速膨脹以來,最為重大的天文發現,也進而斷言,這項成果接下來若能被驗證屬實,就很有可能贏得今年度的諾貝爾物理學獎。

然而,該團隊這種大陣仗在媒體前的宣告(見下圖;今年 3 17 日,在哈佛大學 Harvard-Smithsonian 天文物理研究中心,召開的記者會現場,圖片中最右邊那位側著頭面帶微笑的就是 John Kovac 教授;creditAP Photo/Elise Amendola),過去一個月來,也引起同行間的嚴厲挑戰,也陸續發表其他論證和相關實驗結果,對該團隊所用的方法,提出了高度的質疑。讀者千萬不要誤以為,這又是同儕相互競爭下的一種惡意攻訐,因為既然探究的是科學,還是要回歸到它的本質,那就是:任何在科學上的重大發現,必需要能經得起其他獨立研究結果的驗證,「科學不是你説了算,證據勝於一切」。目前看來,孰是孰非,最後的真相為何?相信到今年年底前,應該會有一個明確的答案(例如,比對來自「卜朗克(Planck)」天文望遠鏡的觀測結果)。其中轉折,容我在後文中(DDS045 DDS046)再向大家細說分明,目前暫時還是先回到,這項重大科學發現的具體內容來。


要了解此項重大科學突破的意義和重要性,就不得不從源頭説起。首先,我們知道,「愛因斯坦」1916 年在他的「廣義相對論」中,率先提出了「時空(spacetime)」這個概念:任何物體在此「時空」中,視其質量大小,均能引起不同程度的「時空」扭曲,而任何一個在時空中移動的物體,都能引起其周遭空間的壓縮(squeeze)或延展(stretch),同時並釋出一種「引力輻射的波(wave of gravitational radiation)」(即俗稱的「引力波(gravitational waves)」),把能量傳遞到周遭的空間。「引力波」指的就是在此「時空」中傳遞時,所形成的一種波紋,就如同你在池塘投入一顆石子,在水面上形成的漣漪(ripples)。

事實上,這「引力波」的是否存在,也是「廣義相對論」自提出以來,有待最後確證的現象之一。另方面來説,雖然「引力波」就如同聲波、光波,但是對於聲波和光波,我們可以利用不同的科學儀器,偵測到它們的存在(如波型、振幅、頻率和行進速率等等),但對「引力波」而言,因為它們本身非常的微弱,科學家們至今,受限於觀測儀器的極限,還是無法直接偵測到它們的存在,也成為近代物理學上極待突破和驗證的重要課題之一。即使如此,科學家們還是試著藉由其他許多觀測到的天體「異」象,來間接印證它的存在。例如,就以 1974 年觀測到兩脈衝星(binary pulsars;代號 PSR B1913+16)的繞行軌道而言,科學家們預測,兩者的總能量會因部分被轉換成「引力波」,使得原本的繞行軌道變得愈來愈小,實際觀測此「脈衝星」繞行軌道的改變,科學家們發現所得結果和預期的完全吻合,也因而間接證實了「引力波」的存在。這項頂級的天文觀測和精準印證了「引力波」存在的研究,也替兩位著名的天文學家 Russell Hulse Joseph Taylor 贏得了 1993 的「諾貝爾物理學獎」。

〔註:當然,要能真正直接測得「引力波」,還是得有賴目前正在進行的一項利用「Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory;簡稱 LIGO」雷射干涉計的觀測。其原理是精確測量雷射光束,在相距 4 公里的兩鏡面間,行進速度的改變,因為,若此時有「引力波」穿越過此雷射光束的行進途徑,它會引起時空的些微扭曲,進而也使得雷射光束行進的路徑略微偏移,藉由仔細測量雷射光束往返時間的改變,科學家們希望藉由這些測量結果,在不久的將來,能直接而具體的證實「引力波」的存在,讓我們就摒息以待。〕

此外,依據「相對論」的進一步演繹,當宇宙中有任何巨大的碰撞或爆炸事件發生時,例如兩個「黑洞(Black Hole)」或「銀河系(Galaxy)」碰撞在一起,或宇宙窄始時的「大爆炸(Big Bang)」,它們所產生的巨大能量,即能在「時空」中造成「引力波」。下圖(credit: Karl Tate, Infographics Artistfrom: http://www.space.com/25078-universe-inflation-gravitational-waves-discovery.html?cmpid=556786 )即是有關「引力波」的簡扼說明。注意圖中最上方,即是兩個共伴環繞的「黑洞」,所產生「引力波」的示意圖,而最下方圖所示的「宇宙微波背景圖」,即是受此「引力波」干擾後,所顯現的特殊捲曲圖像。(待續)