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史丹福大學天文物理學副教授郭兆林:宇宙起源 找到證據
史丹福大學天文物理學副教授郭兆林:宇宙起源 找到證據
来源:世界新聞網 | 2014/3/18 7:08:57 | 浏览:4691 | 评论:0

史丹福大學天文物理學副教授郭兆林:宇宙起源 找到證據
郭兆林在南極留影。(圖:史丹福大學提供)

  天文物理學家17日在哈佛大學舉行記者會,宣布他們找到了能夠證實宇宙起源的證據,這是人類科學追尋了數百年和能夠達到對宇宙理解的一個歷史性時刻。

  參與這次找尋證據的科學家中,包括了史丹福大學天文物理學副教授郭兆林(Chao-Lin Kuo)。郭兆林2003年拿到柏克萊天文物理學博士學位,之後再到加州理工作博士後研究,2008年加入史大。郭兆林台大物理系畢業後,曾於1995和1996年投入袁旂教授的門下。袁旂(1937-2008)是國際知名的動力天文物理學家,生前旅居巴洛阿圖,他在美國任教多年,回台後曾任中研院天文物理研究所所長兩年,再繼任天文物理研究所特聘教授多年。

  在記者會上,郭兆林說:「這真是令人興奮。我們首次看到引力波(gravitational waves),這種古老宇宙遺留下來的波紋(ripples),因此證實了宇宙得以形成的理論。」

  郭兆林說的理論是膨脹論(inflation),亦即在宇宙形成前,空中只有微小如電子的物質,但在138億年前發生一次大爆炸,爆炸後微小物質迅速膨脹,以致形成現在我們看到的宇宙。造成爆炸的主要能量正是「引力波」,是引力波促使微小物質和微弱波紋迅速膨脹。郭兆林說:「膨脹論正好解釋了大爆炸為何會爆炸。」

  引力波的存在是科學家一直在找尋的證據,愛因斯坦也曾預言有引力波的存在。膨脹論早在1980年代提出,到現在才得以證實。郭兆林參與的研究小組,在最接近太空的南極,使用超級望遠鏡「BICEP2 」觀察大爆炸遺留下的光,結果看到了科學家稱為「B Model」的痕跡,這正是引力波所造成的現象。


科学家发现大爆炸后宇宙扩张的直接证据(BBC中文网)

史丹福大學天文物理學副教授郭兆林:宇宙起源 找到證據
美国科学家们说,他们监测到了宇宙140亿年前“大爆炸”的微弱回声,发现大爆炸后宇宙扩张的直接证据。

  据认为,宇宙、星系和星座在140亿年前的“大爆炸”中瞬间诞生。

  如果这个发现得到证实,就证明了爱因斯坦曾经做过的预言。

  这也将是有史以来最重要的科学发现。

  科学家们在南极用望远镜探测特别的、无限小的光波谱,这可能证明宇宙在“大爆炸”后在千万亿分之一秒的瞬间迅速膨胀。

  他们在研究中用望远镜观测宇宙中最古老光中的极微小的变异。

  研究工作在严格的检查下进行。已经有人在谈这项发现可能会获诺贝尔奖。

  研究人员来自美国几所大学,包括哈佛-史密松天体物理中心,明尼苏达大学,斯坦福大学,加利福尼亚理工学院和美国航天局的喷气推进实验室。


美国科学家宣布引力波重大发现(罗辑 编译)

史丹福大學天文物理學副教授郭兆林:宇宙起源 找到證據
图中显示的为欧洲空间局普朗克卫星巡天绘制的微波背景辐射图,我们或已经听到了宇宙大爆炸的“回声”

  引力波是宇宙中一种特殊的“时空涟漪”,这是因为我们将引力波想象成在时空中的微小起伏,科学家一直在寻找引力波的踪迹。引力波可以形成于天体撞击事件中,也可以源于宇宙大爆炸,现在科学家或首次探测到引力波的证据,从而揭开宇宙诞生之谜。

  最新的预测显示科学家可能已经找到引力波的直接证据,并且与137亿年前宇宙诞生有关。宇宙诞生后形成了强大的引力波事件,但随着宇宙空间的急剧膨胀,引力波也被逐渐削弱,这些原始的引力波如同宇宙大爆炸的“回声”,如果宇宙有一个开端,那么引力波就是一个证明。

  引力波的发现可以让科学家第一次“看到”宇宙是如何诞生的,早在爱因斯坦时期,广义相对论就预言了引力波的存在,引力波就像宇宙时空中的微小涟漪,携带着一定的能量,其主要起源于宇宙中强大的天体事件,比如宇宙大爆炸、黑洞合并等,但是引力波传递到太阳系时已经非常微弱了,此前的探测精度远没有达到要求,因此我们很难发现引力波,如果要把引力波具体化,可以将其想象成穿过海洋的海浪,而地球则在大洋的另一边。

  科学家宣布有关引力波的发现,这是宇宙学史上重要的时刻,因为其背后隐藏着宇宙大爆炸之谜,与宇宙开端有关。引力波的信号据称来自位于南极的Bicep望远镜,这是一台可探测引力波的装置,其他研究引力波的平台还有位于轨道上的欧空局普朗克卫星、智利北部的望远镜等。

  我们的宇宙历史接近140亿年,而我们对宇宙诞生时的状态并不十分清楚,科学家认为正是由于引力波的存在,使得早期宇宙出现的微小时空涟漪在暴涨期时被放大,形成了我们今天所看到的宇宙星系、恒星以及行星等。

偵測重力波 郭兆林得物理界聖杯(陳皓嬿)
 
美國研究團隊證實宇宙誕生時快速暴脹的印記-愛因斯坦100年前提出的「重力波」,即宇宙微波背景輻射不均勻的極化;科學家們興奮不已,因為這證實宇宙大爆炸後,的確在短時間內以超光速膨脹,讓日月星辰和我們得以出現,若宇宙沒有暴脹,將是一片虛無。

能搶先觀測到證據,要歸功於台大物理系畢業、現任美國史丹福大學物理系助理教授的郭兆林,研究計畫最關鍵的偵測儀器由他設計。學界認為,證明重力波的存在讓研究團隊具有問鼎諾貝爾的資格。台大天文物理研究所教授吳俊輝說,因為郭兆林設計BICEP2偵測器比別人更好、更靈敏,才能觀測到非常微弱的宇宙訊號。

台灣中研院天文所副研究員王為豪則形容郭兆林搶到「物理界的聖杯」。

台大物理所教授陳丕燊解釋,暴脹是指宇宙大爆炸後十的負35次方秒內,就從一個小點、暴增成原體積的十的25次方倍大,換句話說,暴脹就是宇宙在手錶滴答一秒都不到的時間,從一個原子的大小,長成太陽系那麼大。

吳俊輝說,暴脹過程中,物質會猛力拉扯宇宙時空,產生重力波,「想像我朝空中、你的方向打了一拳,而我的拳頭前產生重力波讓空間扭曲,於是你看到我的臉也會扭曲」,他說也有點像電影「功夫」中,包租婆使出「獅吼功」的感覺。
 
國立自然科學博物館館長孫維新說,由於宇宙持續擴張140億光年那麼大,暴脹時產生的重力波已經相當微弱,幾乎觀測不到,科學家轉而尋找重力波留下的痕跡-微波背景輻射。

孫維新說,因微波背景輻射也很微弱,團隊才要跑到南極觀測,因為南極的空氣稀薄、又乾燥,儀器較不受大氣中的水氣干擾,「是地面上最接近太空的地方」;加上郭兆林的儀器靈敏,才讓團隊搶先觀測到訊號。

為何暴脹和萬物存不存在關係密切?吳俊輝表示,暴脹會讓宇宙中的物質分布不均勻,有些地方密、有些地方疏,密的地方物質逐漸聚集在一起,形成星星、月亮和萬物,疏的地方則變成太空;若沒有暴脹,宇宙就會變成什麼都沒有,只有均勻分布氫氣和氦氣的虛無空間。
 
大爆炸不再停留理論階段 (郭政芬、呂筱蟬)
 
「為宇宙瞬間暴脹找到直接證據!」台灣清華大學天文所教授張祥光指出,科學家認為宇宙大爆炸後,有段暴脹期讓宇宙快速變大,這次觀測到宇宙「微波背景輻射」中的微小偏極化波紋,是宇宙論發展上的重要里程碑。

中央大學天文研究所教授黃崇源表示,這次美國研究團隊的成就,是讓大爆炸不再停留在「理論」階段,解開宇宙產生之謎。重力波現象是過去沒有人能發現和證實,所以郭兆林和團隊的發現才令人驚訝與震撼。

張祥光表示,宇宙大爆炸被認為是宇宙的開始,宇宙最先是由一個密度極大且高溫的狀態演變而來,因大爆炸而膨脹、溫度下降。

1967年科學家無意中發現「宇宙微波背景輻射」,為大霹靂理論提供最重要的證據,1984年有科學家認為大霹靂後,應該有經歷更快速的劇烈膨脹,這被稱為「暴脹理論」,但這始終都停留在理論,缺乏強有力的證據。

張祥光解釋,這次科學家靠著測量宇宙微波背景輻射的偏極化,得到宇宙暴脹所造成重力波留在微波背景輻射裡的痕跡,支持宇宙暴脹理論,是相當重要的發現。張祥光說明,「微波背景輻射」是在微波波段的電磁波,肉眼無法看見,須使用無線電望遠鏡。這次發現就是從微波背景輻射中,分析出暴脹留下的跡證。而此次的發現,對於瞭解宇宙中的星系、星系團等形成,將會有所助益。 
 
老婆看他:人生有如瞬間到頂(何定照)
 
史丹福大學天文物理學副教授郭兆林:宇宙起源 找到證據
郭兆林(右)和妻子周念縈(左),在忙碌的工作和家庭生活中,還合譯了三本科普書,圖為郭兆林夫妻與兒子、女兒的全家福。(周念縈提供)
 
台灣科學家郭兆林等人發現「大爆炸」後宇宙擴張的直接證據「重力波」,他的太太周念縈說,郭兆林等六人都非常高興,因為大家原本認為這輩子可能找不到重力波,沒想到突然就找到了,「人生有如瞬間到頂」。

●去年還擔憂 找不到重力波

周念縈說,郭兆林去年10月還擔憂「可能沒有重力波」。喜訊剛證實時,41歲的郭兆林因原本預期要花一輩子去找重力波,頓生「接下來我何去何從」之感,但很快又活躍自信,覺得人生充滿源源不絕的動力。

●每天睡很多 靈感也非常多

周念縈笑說,郭兆林的動力最大來自充足睡眠,多年前她就曾笑他「李遠哲一天睡四小時,你一天要睡十小時,將來你成名,我一定要跟記者說你睡非常多。」郭兆林則回說都在夢中得到靈感,還自豪永遠不怕靈感被偷走,因為他「靈感非常非常多」。

●顧娃做家事 就像一般人

外界常認為科學家一定日夜埋頭苦幹,周念縈說,郭兆林真的是一般人,甚至對家庭花的時間比其他男性都多,天天做家事、顧小孩,周末完全不工作。

「我是他的迴音板,就像一面鏡子般和他每天思辯。」她說,老公會談遇到困境等,她則以外行人身分「亂說一通」,老公就會在她無厘頭對應中釋放壓力,並獲得靈感。

研究大爆炸理論的學者 已有數人獲諾貝爾獎(張錦弘
 
研究宇宙誕生的「大爆炸」(也稱「大霹靂」)理論的學者,已有好幾位獲諾貝爾物理獎;台灣大學物理系教授陳丕燊說,郭兆林所屬研究團隊的最大突破,在於證明宇宙大爆炸後,經歷瞬間「暴脹」階段,星球萬物才得以誕生,是個了不起的成就,絕對有資格得諾貝爾獎。

陳丕燊指出,1929年,美國天文學家哈伯首次發現,遠方的星系正離地球加速遠去,推測宇宙仍不斷膨脹,為大爆炸理論奠基。

後續天文物理學家發展出更完整的學說,認為宇宙最初只是一個小小的點,經「大爆炸」及「暴脹」階段,如今的宇宙才誕生。

但要如何證明大爆炸及暴脹呢?學者假設,宇宙在大爆炸後產生的光,隨著宇宙不斷擴張,慢慢降溫到約攝氏零下270度,變成看不見的「宇宙微波背景」(Cosmic Microwave Background Radiation,簡稱CMB),在太空中流浪,只要能證明CMB存在,就能證明大爆炸理論。

1964年,美國貝爾實驗室的工程師彭齊亞斯(Arno Penzias)和威爾遜(Robert Wilson)架設天線接收人造衛星微波信號時,意外接收到CMB,因此獲諾貝爾獎。
 
美國太空總署1989年發射人造衛星「COBE」,首次拍到CMB的畫面。學者馬瑟(John Mather)和史穆斯(George Smoot)三年後發現CMB從各個不同方向測量,溫度有十萬分之一的些微差異,因為這種溫度的不平均性,導致溫度、能量高的地方,重力較強,吸引其他能量,集結成星球、星系,地球、人類才得以出現,兩人也獲諾貝爾物理獎。

2009年,歐洲太空中心發射觀測CMB的第三代人造衛星「普朗克」(Planck),拍到歷來最精確的CMB影像,更加印證大爆炸理論。

陳丕燊說,學者還假設,宇宙暴脹時,時空拉扯得很厲害,會產生「重力波」,只要證明重力波存在,就能證明暴脹理論。

陳丕燊指出,以往從未有人真正觀察到重力波,但郭兆林的研究團隊,透過偵測宇宙微波溫度的不均勻性,發現受到重力波的極些微影響,等於間接證明重力波存在,是繼馬瑟和史穆斯兩人後,第二個證明暴脹理論的有力證據。
 

美科学家听到宇宙大爆炸余响 揭开宇宙诞生之谜

史丹福大學天文物理學副教授郭兆林:宇宙起源 找到證據

仰望浩渺的星空,人们总是不由要问:宇宙从何而来?美国科学家17日宣布,他们发现了原初引力波穿越婴儿宇宙留下的印记,这是宇宙刚刚诞生时急剧膨胀的首个直接证据。

【名词解释】

宇宙大爆炸:宇宙学最有影响的学说,认为宇宙是由一个致密炽热的奇点于约138亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。

暴涨:在大爆炸之后不到1秒钟的原初时刻,宇宙在极短时间内经历了速度快到无法想象的急剧膨胀,这一过程称为“暴涨”。

原初引力波:爱因斯坦于1916年发表的广义相对论中提出的,它是宇宙诞生之初产生的一种时空波动,随着宇宙的演化而被削弱。

难度 -270摄氏度极难探测

何谓引力波?

上海复旦大学物理系博士生导师吴咏时表示,138亿年前,宇宙产生大爆炸之后,宇宙以指数速度急剧膨胀。理论上这一时间为一亿亿亿亿分之一秒。这一过程被称为宇宙暴涨。原初引力波如同创世纪大爆炸的“余响”,忠实记录了暴涨时期的物理过程。

1916年,爱因斯坦在广义相对论中提出引力波的存在,但他同时也指出这种现象将极其微弱。中科院高能物理研究所前所长陈和生表示,探测原初引力波需要非常灵敏的探测仪器。

浙江大学理论物理学博士李剑龙说,反映暴涨的微波背景辐射温度约为3K(零下270摄氏度)。在这种环境测量引力波,是非常困难的。引力波因此被戏称为“世纪悬案”、“宇宙中最大的徒劳无益之事”。

发现 就像在草堆里找到根铁棒

美国哈佛-史密森天体物理学中心等机构研究人员利用位于南极的BICEP2望远镜,对宇宙大爆炸的“余烬”——微波背景辐射进行观测。

微波背景辐射中的微波因为被原子和电子散射而具有偏振性,新研究寻找的是一种叫做B模式的特殊偏振模式,其特点是会形成旋涡,是宇宙极早期的一种时空波动——原初引力波留下的独特印记。

BICEP2望远镜建在南极冰盖之上,海拔超过2800米,是地球上观测微波背景辐射的最佳地点之一。

研究人员在这里发现了比“预想中强烈得多”的B模式偏振信号,随后经过3年多分析,排除了其他可能的来源,确认它就是暴涨期间原初引力波穿越宇宙导致的。

研究共同作者、明尼苏达大学的克莱姆·普赖克说:“这就好像要在草堆里找一根针,结果我们找到了一根铁撬棍。”据新华社电

意义 过去25年天文学最大发现

分析人士称,引力波的发现可以让科学家第一次“看到”宇宙是怎样形成的,从而揭开宇宙诞生之谜。

中科院理论物理研究所研究员蔡荣根表示,此次发现虽然不是直接观测到宇宙早期的引力波,但却是在宇宙微波背景辐射中找到了引力波存在的迹象,是到目前为止最强有力证明原初引力波存在的证据。

蔡荣根说,这次发现也再次证明了爱因斯坦的广义相对论,表明宇宙早期的暴涨模型的理论是完全正确的。

美国亚利桑那州立大学理论物理学家克劳斯在接受采访时说,如被证实,将“可以跻身过去25年最重要的宇宙学发现之列”,有望获得诺贝尔奖。

大家都在找郭教授 他只想談科學(王金城)
 
史丹福大學天文物理學副教授郭兆林:宇宙起源 找到證據
郭兆林等科學家追蹤到宇宙暴脹後的重力波痕跡,被譽為史上最大的科學新聞。(檔案照)
 
史丹福大學天文物理學副教授郭兆林:宇宙起源 找到證據
郭兆林(右)到提出宇宙「新暴脹理論」的學者林德(左)家中,開香檳慶祝。(史丹福大學提供)
來自台灣的史丹福助理教授郭兆林20日受訪時表示,對宇宙起源發生興趣是人類的基本慾望,就像一個孤兒會想盡辦法發現自己的父母是誰一樣。每個人都想知道自己的先祖、民族,甚至人類以及宇宙的來源。

郭兆林說,當他與研究團隊在南極上空探測到140億年前宇宙暴漲所產生的重力波痕跡,並證明重力波與「宇宙暴脹論」學者林德(Andrei Linde)所提一模一樣,他對天文物理學精準之美、宇宙之無窮奧秘感到無限驚異。

郭兆林現任史大物理系與SLAC國家加速實驗室助理教授,也是BICEP2偵測小組的共同領導人。郭兆林說,根據宇宙暴脹論,約140億年前,一種非常細微的暴脹場於10的負35次方秒內(即小數點後35個零)急速膨脹,開始形成目前的宇宙。理論描述,暴脹速度非常驚人,宇宙在一剎那間從一個原子大小,暴脹到整個太陽系那麼大。

郭兆林說,最奇妙的是宇宙暴脹那一剎那,推力(kick)從何而來。

有專家認為暴脹過程中產生重力波,可是根據理論,暴脹後宇宙持續擴張,暴脹時產生的重力波幾乎無法測到。科學家轉而尋找重力波留下的痕跡,即微波背景輻射。可是微波背景輻射已非常薄弱,科學家必須使用郭兆林設計的BICEP2偵測器,在南極觀測,才能發現重力波痕跡。

郭兆林說,研究團隊於17日宣布發現暴脹理論的重力波後,全球各地媒體不斷要求訪問,「實在是忙壞了,一點時間也沒有。」他在史丹福大學的助理也表示,電話一直響個不停,大家都要找郭教授,情況相當瘋狂。

郭兆林對這種狀況只有苦笑。他說,他只想談科學,不想談其他事務。當被問及贏得諾貝爾物理獎的可能性時,郭兆林說,他從未想過得不得獎,他所關心的只有一件事:「科學知識的發展。」

郭兆林把人類探索宇宙起源的心理比喻成為孤兒追查父母,在茫茫宇宙中,飄浮在無盡空間中地球的確有如孤兒一般。人類努力追求探查它的起源,尋找它存在的意義。這種自我無限渺小、宇宙無窮奧秘的感覺很接近宗教哲學的境界。

當被問及天文物理與宗教哲學的相關性時,郭兆林沒有直接回答。不過他說,宇宙奧秘無窮,天文物理精準無比反映出人類的智慧,令人無限訝異讚賞。可是他認為,這種壯美的現象不是用祈禱的方式所能產生的。

物理學家谷斯(Alan Guth)於1980年代在史大SLAC國家加速實驗室作博士後研究時,首次提出宇宙暴脹理論,修改傳統大爆炸(Big Bang)起源的部分理論。谷斯認為,宇宙並非像一顆火球急速擴大,而是從一個比原子還小的暴脹場,在幾乎無法測量的短暫瞬間急速暴脹,形成宇宙。谷斯現為麻省理工學院物理教授。

1980年代早期,俄羅斯物理學家林德修正谷斯所提出的暴脹理論,提出「新暴脹理論」。郭兆林研究團隊所發現的重力波痕跡,證實這種「新暴脹理論」的正確性。林德現為史丹福大學物理教授。

郭兆林正全神投入天文物理研究。他說,今年將率領更大的研究團隊,前往南極繼續探測宇宙的發源。

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