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“谷歌峰会”讨论宇宙引力波的发现

发布日期:2022-11-24 12:28    点击次数:68

物理学家将关注的“第一现场”放在宇宙的第一缕光线和其中隐含的线索,从现有的物理理论和创新思维出发,对新的发现进行诠释。南极望远镜天文台的科学团队曾宣布,似乎检测到了期待已久的“宇宙活化石”——原初引力波,科学人士为之震惊,但抱有半信半疑的态度。美联社进行过一项科学常识的调查,一半以上的美国人不相信宇宙起源于一次剧烈的大爆炸,多数人宁可相信某种神明力量创造了人类和宇宙天地。有一半以上的美国人不相信全球变暖的趋势,不相信黑洞主宰了星系和宇宙的演变,也不相信达尔文的生物进化论,但他们相信吸烟是一种导致癌症发生的原因。

原初引力波的发现可以证明宇宙诞生的暴涨理论,宇宙的诞生无需某种神明力量的推动,宇宙史表现为“从自然中来,到自然中去”的过程,原初引力波的发现可以揭示宇宙在最早诞生时刻的场景。谷歌公司举办一期“连线聊天”节目,天体物理学家约翰·卡尔斯姆、沃尔特·奥格本、迈克尔·特纳和阿比盖尔·菲儿艾格应邀做客“视频圆桌会”,几位物理学家兴致勃勃地讨论了引力波的发现和原初引力波对揭示宇宙过去和未来的科学意义。

宇宙暴涨的物理模型表明,宇宙仅在亿万亿万亿万分之一秒的极短时刻经历了令人难以想象的极速膨胀,“排山倒海”的气势和“摧古拉朽”的呼啸在“一眨眼”的功夫冲过了宇宙苍穹,宇宙的诞生好似大型交响乐团演奏的一首自然狂想曲。原初引力波的发现能够以决定性方式证明在宇宙早期发生的暴涨现象。30年之前,宇宙物理学家构想了暴涨理论的宇宙模型,2014年3月,天体物理学家声称,他们第一次发现了“发令枪冒烟”的证据,持暴涨理论的科学家认为,宇宙在“一刹那”间实现了从微观宇宙到宏观宇宙尺度的转变。

似乎没有其它的物理理论可以解释宇宙早期的暴涨现象,牛顿力学倡导均匀而静止的时空观,解释不了宇宙暴涨的发生,爱因斯坦的相对论时空观没有指出宇宙暴涨发生的主要原因。依照暴涨理论的计算结果,宇宙极早期暴涨的速度明显地超出了光速,而光速是爱因斯坦相对论的速度界限。一旦暴涨理论得到证实,爱因斯坦相对论的光速界限有修正的可能,但对爱因斯坦的理论体系进行修正和提升,这几乎是一项难以完成的使命。早期引力波发现的价值几乎与希格斯玻色子的发现相提并论。

南极天文台的发现成果存在误差,但对原初引力波的发现能帮助人们理解宇宙的起源。2014年4月18日,谷歌视频曾组织一场“我们圆桌会”,科学团队的两名成员和天体物理学领域的两位卓越科学家相聚一堂,共同讨论了早期引力波的发现对宇宙学的意义。卡维利研究所、斯坦福大学粒子天体物理学和宇宙学博士后研究员沃尔特·奥格本加入了南极天文台的科学团队,对宇宙极早期暴涨现象的证实令奥格本兴奋不已,他解释说,科学家很早构想了宇宙暴涨理论,很多科学家相信,在宇宙极早期产生了极高速的膨胀。

天文观测技术发展到今天,似乎有了第一次证实的机会,只有精确的检测技术才有可能带来科学的发现,科学家思考的问题包括:什么力量驱动了宇宙的暴涨?什么物质粒子参与了暴涨?什么场域推动了暴涨的过程?有很多宇宙膨胀的理论模型,但人们很难判断模型的正确与否,正确的模型真实地解释了科学发现的事实。南极天文台的科学团队探测到了某种信号,但与很多科学家的期待有所不同,它们不是“窃窃私语”的细微信号,而是嗡嗡作响的较强信号,强信号源的含义有其它的解释。

理论物理学家、芝加哥大学教授迈克尔·特纳担任了卡维利研究所的宇宙物理学(KICP)部的主任,他没有加入宇宙引力波的科学团队,但特纳获得过科学领域的杰出贡献奖,他认为从理论推到的引力波信号应该十分微弱,但南极科学团队探测到的早期引力波信号刚好相反,信号很强而不是很弱,实际观测的结果与理论预测不符。人们期待实验和观测的结果与理论预期保持一致,这是人类科学理性精神的伟大之处,但观测结果与理论预期不符,科学家相信自然力量的伟大,以实验和观测的结果为基础,不断修正科学的理论预期,甚至放弃错误的理论假设。

新的发现为科学家带来了无比兴奋的心情,但新的发现引起了激烈的讨论,新的发现意味着很多版本的宇宙极早期膨胀的理论模型不再适用,诠释宇宙极期膨胀的物理模型基本都预测了较弱的引力波信号,但南极科学团队探测到了较强的信号,或许证实了某些理论模型的错误,或许科学团队探测到了非引力波的信号。目前有一种流行的宇宙膨胀模型,宇宙开始膨胀,然后坍塌,接着开启新一轮的膨胀,表现出持续性的无穷循环。特纳将原初引力波的发现比喻为“敲裂宇宙的蛋壳”,发现的线索使得科学家接受那些颇有争议的理论,他们最熟悉的宇宙理论可能包含了错误的内容。

KICP的副主任约翰·卡尔斯姆带领了其它两支宇宙“第一缕光”的研究团队,他解释说,暴涨引力波的发现可能意味着“新物理学”的诞生,有些宇宙事件的发生出乎预料,在宇宙诞生的极早期可能产生了更多的中微子,比科学家预期的数量多,可能发生科学家未曾预料的事件,未来的数年,理论物理学家将仔细分析和研判原初引力波的发现所带来的物理意义。最关键的问题是进行更多的观测和检验,欧洲的普朗克卫星探测器将用于对引力波信号的发现进行重复性检测。科学家制定了后续目标,仔细检测引力波信号的特性,搜索宇宙膨胀信号的证据。

宇宙大膨胀是宇宙诞生的方式,在极度能量集中的宇宙婴儿期,宇宙的膨胀超乎想象,对引力波信号探测的精度成了关键的因素,精确的探测结果将帮助解释那些人们一直以来最关注的基本科学问题,其中包括了宇宙的诞生,四种自然基本力实现了统一。芝加哥大学和KICP研究所的阿比盖尔·菲儿艾格教授是科学团队一位活跃的成员,他解释说,科学人士沉浸在第一次证实早期宇宙暴涨现象的喜悦心情之中,这是一个至关重要的发现,但引力波的发现有待证实和说明。

科学人士除了谈论科学发现的重大消息,他们现在所做的事情是集中精力,进行后续的核实,发布更多的细节信息,科学人士从中可以辨别原初引力波的发现是否属实。精确的观测数据是破除人们质疑宇宙引力波存在的关键因素。“击中了要害”对科学发现的意义是不言而喻的。科学界基本否认了南极天文台科学团队(BICP2)发现引力波信号的可能,存在“信号失真”的问题。2013年,希格斯和恩格勒特共同荣获了诺贝尔物理学奖,阿兰·古斯和安德烈·林德在30年前提出了宇宙暴涨的模型,两位科学家能否获得诺贝尔物理学奖,对暴涨引力波的发现和可重复性的检验将解开其中的悬念。

(编译:2021-4-25)



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