宇宙的邪恶轴心(上)

标签: 物理 WMAP 原创 各向异性 宇宙 | 发表时间:2010-04-10 08:59 | 作者:Sheldon XiangGuang
出处:http://songshuhui.net

人类从宇宙中获得的绝大部分信息来自于光。

人类从宇宙中获得的最古老的信息来自于宇宙中最古老的光。这缕最古老的光有个专门的名字,叫做微波背景辐射(Cosmic Microwave Background 简称CMB)。微波背景辐射给我们讲述了宇宙小时候的许多故事,其中最诡异的故事莫过于宇宙的邪恶轴心了。

宇宙的“第一缕光”

故事是这样的。我们的宇宙一直在膨胀啊膨胀,已经近137亿岁了。如果逆着时间之河的方向去看宇宙的小时候,我们会发现,那时所有的物质应该都挤在很小的一片区域内。宇宙的年龄越小的时候,宇宙的“体积”就越小,物质被挤压的越紧密,那时宇宙的温度也就越高。如果再顺着这个逻辑推导下去,那么我们不得不认为宇宙诞生于一次“大爆炸”。美剧《The Big Bang Theory》的片头曲就是这么唱的:

Our whole universe was in a hot dense state, Then nearly fourteen billion years ago expansion started. Wait…”(我们的宇宙曾处于炎热致密的状态, 然后大约一百四十亿年前它开始膨胀。 等一下…… )

宇宙诞生之后,先是经历了一段不为人知的量子时期,然后是加速膨胀的暴胀时期(见《娶不到媳妇怨宇宙》)。暴胀结束之后的一瞬间,宇宙是一锅高温的基本粒子汤,还没有形成原子。经过了“最初三分钟”的原初核合成的过程,宇宙的化学元素组成才比较接近我们今天看到的模样。

大爆炸之后的宇宙,宇宙处于红线部分时发出的光事实上是无法到达地球的。因此,最“古老”的光应该在这之后出现。(本图片来自“宇宙学中你需要知道的五件事情”)

那时候宇宙的温度仍然有几万K,比现在太阳表面的温度(约6000K)还要高。这么高的温度自然要伴随着强烈的发光过程。由于温度很高,发出的光的能量也很高,“寿命”也就很短:还没跑出多远,很快就被附近的原子(主要是氢和氦)吸收,使后者都电离成原子核和电子了。

随着宇宙的膨胀,温度越来越低,宇宙中高能光子的比例渐渐减少,而低能光子的比例却渐渐增多了。在宇宙大约38万岁时(仍然是幼儿时期),宇宙的温度降低到了约3000K。此时的高能光子寥寥无几,而低能光子又没有足够的能量再把中性原子拆散成原子核和电子了。从此,中性原子们“无视”了低能光子的存在,任由它们在宇宙中自由穿行,这才有了宇宙的“第一缕光”[1]

WMAP——“第一缕光”的微波照相机

 

“第一缕光”发出时宇宙的温度有3000K。要知道把加热到1000K的铁就已经能发出暗红色的光来,3000K宇宙背景还不把黑夜照的跟白昼一样?可是从38万岁到现在的一百多亿年间,宇宙的尺度变大了1100多倍,这些在宇宙中旅行的光的波长也像房价一样被拉长了1100多倍。波长所对应的温度也有原来的3000K降低到了2.725K,仅仅比绝对零度高出一点点。人类懂得仰望星空时,宇宙的“第一缕光”早已成为“嘶嘶”的微波背景辐射。因此,当美国贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊在1964年惊奇的发现,天空中存在各向同性的,不随时间和季节变化的微波噪声时,他们最自然的想法是天线上的鸟粪和鸽子窝在作怪。

宇宙的尺度膨胀多少倍,宇宙光波的波长就膨胀多少倍——当然,光波的能量也就随之降低多少倍。(来源同上)

为了获取宇宙留给我们的最古老的信息,科学家们准备了许多“微波照相机”。例如,1989年11月,宇宙微波背景探测器(Cosmic Background Explorer,简称COBE)由NASA发射升空。1998年和2003年,“飞镖”球载望远镜(Boomerang)乘坐热气球两次在南极洲升空。2001年6月,威尔金森微波各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,简称WMAP)由NASA发射升空。2009年5月,普朗克巡天者(Planck)由欧洲空间局和NASA共同发射升空。到目前为止,已成功发回数据的“微波照相机”中,精确度最高,影响力最大的当属WMAP了。

David Todd Wilkinson,1935-2002

WMAP的名字是这么一回事。在彭齐亚斯和威尔逊正为了鸟粪和鸽子窝而犯迷糊时,美国的天文学家威尔金森等人已经试图着手探测微波背景辐射了。得知彭齐亚斯和威尔逊发现天线有微波噪声的事情之后,威尔金森等人撰文指出,不用擦鸟粪掏鸽子窝了,噪声的来源不是它们,而是宇宙。1978年,彭齐亚斯和威尔逊被授予诺贝尔物理学奖,其中威尔金森等人的解释性工作功不可没。为了纪念威尔金森这位伟大先驱者,探测器就以他的名字命名。

WMAP是为了继它的前任COBE之后,以更高的精度来探测微波背景辐射的各向异性,所以叫做各向异性探测器。宇宙学家们认为,既然我们的宇宙已经形成了恒星、星系、星系团等结构,就说明宇宙小时候,物质的分布不是绝对均匀的。这里多一点点,那里少一点点,这样由于万有引力和宇宙膨胀的共同作用,才能形成宇宙今天的样子。既然微波背景辐射是宇宙小时候的第一张“照片”,那么这个原初的不均匀性就应该在照片上有所体现。也就是说,我们探测到的微波背景辐射应该是这里热一点点,那里冷一点点,否则,宇宙现在就不可能是这个样子。

1992年,COBE发回的数据证实,微波背景辐射确实存在各向异性,这个温度的涨落大约在十万分之五,正好符合宇宙学的预期。2006年,COBE小组领导人的斯穆特(Smoot)和马瑟(Mather)获得诺贝尔物理学奖。

三代探测器的精度对比,从上往下依次是,Horn,COBE,WMAP。中间的高温主要来自于银河系。

COBE圆满的完成了任务,那么比它分辨率更高,灵敏度更高的WMAP又为我们带回了什么新的信息呢?故事讲到这儿,宇宙的邪恶轴心(axis of evil)要出场了。

四极矩、八极矩和邪恶轴心

2001年,WMAP上天,2003年,WMAP小组第一篇数据分析报告出炉了。2005年,2009年,随着WMAP数据的日积月累,WMAP小组又陆续发表了多篇分析报告。科学家们从WMAP小组发布的温度谱和功率谱中发现,CMB的各向异性大体上符合理论预期,但是四极矩和八极矩的数值偏低。而且,四极矩和八极矩的轴心几乎指向同一个方向:室女座(Virgo)。

和绝大多数信号一样,微波背景辐射的信号看起来也是杂乱无章,似乎毫无规律可言。为了分析它,物理学家将其中不同频率的部分“提取”出来,叫做球谐函数展开。球谐频率的高低用字母l表示,l=0时频率最低,叫做单极子(monopole),l=1时叫偶极矩(dipole),然后是四极矩(quadrupole),八极矩(octopole),十六极矩(hexpole)……再往后就只能用l的大小来表示了。

从WMAP数据中生成的四极矩

从WMAP数据中生成的四极矩

从WMAP数据中生成的八极矩

在WMAP小组的数据分析中,l的数值至少分析到了1000以上。因此,四极矩算是其中的低频信号。八极矩的频率略高于四极矩,也属于低频信号。不确切的说,四极矩的信号应该是这两大片区域热一些,那两大片区域冷一些;而八极矩的信号就是这四小片区域热一些,那四小片区域冷一些。[见维基百科的动画]

每一组频率的信号的冷热交替都有特定的“对称轴”。不同频率的信号的轴心方向之间应该没有关联,你走你的阳关道,我走我的独木桥。可是在WMAP的数据分析结果当中,四极矩和八极矩串通起来给物理学家出难题,它们的振幅不但远远低于理论预期,还同时指向室女座。这看起来有些不可思议,仿佛宇宙学的各项同性假设被破坏了,宇宙中凭空多出来一个特殊方向。

室女座

更加邪恶的是,这个特殊方向所指的室女座方向,位于黄道面上。我们都知道地球绕着太阳转,如果以地球为参照系,也可以认为太阳绕着地球转,而黄道就是太阳的“公转轨道”。也就是说,一百多亿年前宇宙发出的“第一缕光”,就已经“预知”一百多亿年后,它所包含的万亿颗恒星当中,有一颗叫做“太阳”的恒星与众不同。“第一缕光”决定降低四极矩和八极矩的振幅,并使它们的轴心同“太阳”的轨道平面方向保持一致……于是,一群充满正义感的物理学家把这个现象叫做宇宙的邪恶轴心。

从宇宙学标准模型的意义上讲,发生这样事件的概率是1/24000,几乎没有可能发生。既然已经发生了,就要认认真真的找个理由来解释。这时,我想起高中做英语阅读理解时,有个同学很擅长解释答案的合理性。比如当他解释完为什么应该选A时,有人发现标准答案是B,于是,他马上就能解释为什么B比其他选项更合理。假如老师宣布答案印错了,应该是C,他又能列出一堆理由来解释选C的理由。后来我才明白,这位同学有研究理论物理的潜质!

物理学中的理论又有点儿像地球上的各种生物,千奇百怪层出不穷。等实验结果一出炉,99%的理论都“灭绝”了,只剩下少数理论还能勉强支撑。当人们逐渐发现,硕果仅存的理论仍然同进一步的实验结果有矛盾时,理论家们又在这些理论的基础上“培育”出具有不同“突变”的后代。于是,理论物理的生物圈又一次欣欣向荣,直到下一次“大灭绝”的来临。

(说明:古代物理学的理论大都灭绝了,例如亚里士多德的引力理论,地心说等等)

面对宇宙邪恶轴心的挑战,物理学家们大体上分为三派。第一派,是以WMAP小组的领导人Hinshaw为代表的哈哈派,在这个问题上含糊其辞,既不否定也不肯定,像是打哈哈说官话。这其实体现了他们谨慎的学术作风。第二派,是以Contalti和Longo等人为首的附和派。他们或者声称观察到300多个类星体围绕着邪恶轴心分布,或者说观察到1600多个旋涡星系的旋转轴也指向邪恶轴心。用来解释邪恶轴心存在原因的理论更加匪夷所思,例如说宇宙存在奇异的拓扑结构,或者说暴胀理论的原初密度扰动存在一种截断,或者干脆搬出弦论等重型武器……这多么像是在做英语的阅读理解啊! 那么第三派的观点是什么呢?请看下集。

[1]:“第一缕光”通常指在经历了一段时期的“黑暗”之后,宇宙的第一批恒星所发出的(可见)光。本文所指的“第一缕光”的发出比第一批恒星诞生要早的多。

[2]:以上大部分图片来自维基百科。

[3]:cos提出的改正意见:“当年的理论解释的文章共4个作者,老板R. Dicke打头,理论解释的工作主要是Jim Peebles做得。Wilkinson和另外一个主要是做仪器的。所以不应该用“Wilkinson等人的文章”的提法。MAP以Wilkinson命名不是主要因为Wilkinson的先驱贡献,要说这个Dicke更有资格,因为DMR就是他最先设计发明的。MAP以Wilkinson命名的主要原因是Wilkinson在MAP上的核心地位,而且他耗尽心血,却偏偏在MAP出结果前去世。”

[4]:冷冻过的鱼指出了铁熔点不是1000K的错误。

科学编辑:Shea

本文地址(转载请注明出处): 复制
收藏、分享这篇文章: 豆瓣 新浪微博 人人网 开心网 QQ空间 qq书签 GOOGLE书签 MySpace 百度搜藏 鲜果 做啥       更多...

相关 [宇宙 邪恶轴心] 推荐:

宇宙的邪恶轴心(上)

- XiangGuang - 科学松鼠会
人类从宇宙中获得的绝大部分信息来自于光. 人类从宇宙中获得的最古老的信息来自于宇宙中最古老的光. 这缕最古老的光有个专门的名字,叫做微波背景辐射(Cosmic Microwave Background 简称CMB). 微波背景辐射给我们讲述了宇宙小时候的许多故事,其中最诡异的故事莫过于宇宙的邪恶轴心了.

平行宇宙

- Dajusha - 生活在这儿,也在别处
  有时候觉得如果不存在平行宇宙的话,很多事情真是无法解释.   作为“猴蛇”,我们经常被要求刊登一些东西. 虽然我并不赞同这个规矩,但我是能够理解的,我所不能理解的是哪些内容. 它们常常让生活在这个时代的我感觉瞠目结舌,荒诞莫名.   很多时候这些内容被总结成一些密电码似的口号,比如“迎讲树”——迎奥运、讲文明、树新风,“学知跟”——学党史、知党情、跟党走,现在又来“走转改”——走基层、转作风、改文风.

我的宇宙观

- altrixe - 宇宙的心弦
//本文仅为我个人的宇宙观 并且其中带有科幻成分 请读者自酌. 1.首先说明,本文中所出现的上帝,指的是除去道德属性的基督教意义上的上帝,即祂创造了这个宇宙(设计了这个宇宙的物理定律和设定了初始条件),并且具有全知全能等特征. 数学上一个对象存在,即它的引入和现有数学体系无矛盾. 到目前为止没有人证明上帝的引入会导致数学内部矛盾,所以虽然我无法证明这种无矛盾性是必然的,但是我们仍可以认为上帝在数学上是存在的.

暴涨的宇宙

- Jerry Fleming - 科学松鼠会
David Lindley 文 Shea 编译. 30年前,《物理学评论D》中的一篇论文彻底地改变了我们对宇宙起源的认识. 它证明,来自粒子物理学的新观点暗示宇宙在其诞生之后极短的时间里可能经历了一个高速膨胀的时期. 这一被称为暴涨的阶段可以解释我们的宇宙是如何演化出所观测到密度和均匀性的. 暴涨不仅成为了宇宙学理论的核心原则,它还意味着任何有抱负的宇宙学家都必须要学习粒子物理学.

测试多重宇宙论

- 芸窗 - Solidot
多重宇宙论认为,我们的宇宙只是许多宇宙中的一个,它包含在一个时空泡泡内,其它的宇宙则包含在其它的泡泡内,可能有着不同的物理常数和自然法则. 现在,第一次,物理学家在宇宙微波背景辐射中寻找多重宇宙的证据. 虽然微波背景辐射被认为是在我们宇宙的各个方向上统一延伸,但科学家声称,如果有多重宇宙的话,微波背景辐射的模式中会出现类似脚印的印记,就像是我们的宇宙不小心撞上了其它宇宙.

TBBT.S05E06:宇宙年龄 6000 岁?

- pisces - 果壳网 guokr.com - 果壳网
作者:Steed 佩尔穆特(Saul Perlmutter)是今年的诺贝尔物理学奖得主之一,他和布莱恩 · 施密特(Brian Schmidt)及亚当 · 里斯(Adam Riess)通过观测遥远星系中的 Ia 型超新星爆发 (参见下图) ,发现宇宙并非人们之前认为的那样正在减速膨胀,反而是在加速膨胀.

【科学好有爱】之 平行宇宙

- 孙想钱 - 科学松鼠会

宇宙微調論證(fine-tuning argument)

- Calon - 哲學哲學雞蛋糕.
這麼扯的事情竟然會發生,這只能用神蹟來解釋. 」許多人使用這種「奇蹟論證」的格式來建立支持上帝存在的主張,這些主張的不同之處,大致上在於它們訴諸不同的「神蹟」. 有些人相信上帝(或土地公,whatever)存在,因為若不是這樣,他沒有辦法解釋自己的某些奇特經歷(例如摔倒之後腦瘤就好了). 智慧設計論者相信萬物是神創的,因為他們不認為這些具備各種奇奇怪怪精細器官的動植物,能夠經由巧合自己蹦出來.

量子平行世界:宇宙之外还存在着另一个宇宙

- hero - cnBeta全文版
而事实上,根据平行宇宙理论,在某个宇宙中,就存在着无数个星系,几乎和我们的宇宙完全一模一样,看上去就像是我们自己一样,在那个宇宙中,也存在着你和你的亲人,还有同样的生活方式,但是有一点必须说明:虽然在两个宇宙中你们是非常非常的相似,几乎相似到划上等号,这种相似度有且只能用来描述过去发生的事件,也就是说,直到这一刻,你们可以说是绝对相同的.

引力理论得修正 宇宙无需大爆炸

- Rosie - 译言-每日精品译文推荐
来源Revised theory of gravity doesn\'t predict a Big Bang.   (PhysOrg.com) -- The Big Bang theory has formed the basis of our understanding of the universe's origins since it was first proposed in 1927 by Georges Lemaitre.