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史丹福大學郭兆林證實宇宙暴脹理論 獲物理界聖杯
作者:陳盈霖 | 2014/8/11 12:04:55 | 浏览:2285 | 评论:0

史丹福大學郭兆林證實宇宙暴脹理論 獲物理界聖杯

今年3月郭兆林(右二)與研究團隊宣布,他們發現宇宙大爆炸後產生的重力波,背後就是宇宙大爆炸的圖解。(美聯社) 
 
發明偵測器,與研究團隊測得宇宙大爆炸後的重力波訊號,證實宇宙暴脹理論,被學術界譽為搶到「物理界的聖杯」的郭兆林(Chao-Lin Kuo)十幾年來數度前往「地球的最南端」,南極「掃」天空,希望從世界的盡頭看「最古老的光」,更準確找尋人類科學追尋無數年,「宇宙起源」的證據與答案。

獲得柏克萊加大天文物理學博士,目前在史丹福大學擔任物理系與SLAC加速器中心助理教授,自小喜歡天文的郭兆林,在科研路上極為執著,純粹「為興趣做研究」。今年3月與研究團隊在哈佛史密森尼天體物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)宣布,他們在南極的BICEP2觀測望遠鏡找到「原始重力波」存在的證據。原始重力波是大爆炸之初,宇宙急速擴張產生的現象。這項發現受到舉世矚目,若經進一步證實,研究團隊具有問鼎諾貝爾獎資格。

研究團隊這項發現,也讓今年42歲的郭兆林,頓時成為全球媒體邀訪對象。他曾多次受邀返回家鄉台灣,與台灣學術界進行交流,今年4月到6月,到台灣擔任訪問學者,在校園舉辦講座,更是場場爆滿,吸引無數青年學子。

郭兆林日前接受本報專訪,暢談解開宇宙誕生之謎研究外,對外界好奇的「南極掃天空」經驗也知無不言,以下是訪談摘要。

問:宇宙起源為何,這是你多年探索的重心,可否談談宇宙的誕生、起源,也談談這項受人矚目的BICEP計畫,如何用偵測器找到「原始重力波」存在證據。

答:無論天文學家、宇宙學家或人類,都有興趣探索地球如何來?宇宙怎麼來的?地球在宇宙中,就如汪洋中的一條船,從哪來、到哪去,科學家尚未研究出來。

宇宙的空間與時間是相連的,距離愈來愈遠,代表愈來愈早的宇宙。宇宙非常大,但光速有限,每秒30萬公里的速度,僅是地球到月球的距離,一般人看到的月亮,是一秒鐘前的,看到的太陽是八分鐘前的。肉眼可看到最遠的星系,是300萬年前發出的光,而目前最先進的光學望遠鏡,能看到100億年前發出的光。

早期的宇宙,沒地球、銀河、微生物,只有微小如電子質子等物質,誕生之際密度分布就存在雜訊,密度高的地方重力強,搶走了低密度的物質,以致密度大的部分愈來愈大,密度小的便愈來愈小。這個密度起伏,也就是我們現在看到的星系,如銀河系最早起源。至於初始的密度起伏怎麼來,重力波會讓我們看的更清楚。

早期的宇宙愈遠,愈早,也愈熱,熱到如太陽表面那麼熱,到最遠處,東西都呈現游離狀態,所以不論從那個方向看,都只能看到一道火牆,這個火牆,就叫做宇宙背景輻射(CMB)。

宇宙背景輻射是最古老的輻射,也是宇宙最早的圖象。而宇宙屬於擴張狀態,星系遠離我們的速度和距離成正比,亦即宇宙空間本身還在均勻的膨脹,距離我們越遠的東西速度就越快。

問:重力波現象是過去沒有人能發現和證實;你們的研究團隊是如何讓大爆炸不再停留在「理論」階段,解開宇宙誕生之謎?

答:愛因斯坦曾在1916年相對論中,預測會找到重力波,1980年代的爆脹理論,是解釋宇宙大爆炸的問題,也正確預測初始的宇宙密度起伏。這個宇宙曾急速膨脹的「大暴脹」(Inflation)理論,這可以仰賴重力波加以檢驗。

重力波與電磁波相似,就像是有質量的東西震盪時,透過空間的波動傳遞到遠方,使遠方物體也感受到震盪,發現重力波,就是用科學方法,探測宇宙怎麼來的。

我們的研究小組,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。

這實驗結合高科技精密儀器,與不可思議的理論預測。目前看到的,是「宇宙背景輻射的偏極」,這與重力波的預測是吻合的,但目前研究結論,無法完全認定,所看到的訊號,是否是重力波造成,所以還有待進一步確認。

問:學界認為你們研究團隊能證實宇宙誕生時快速暴脹的印記-「重力波」,之所以能搶先觀測到證據,要歸功於設計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,能否說明設計的宇宙偵測器製作過程與實驗的內容?

答:目前我們團隊約20人,我們的實驗,說穿了就是用望遠鏡「掃天空」,從2003年至今,都在「掃天空」,結合高科技與不可思議的理論預測,找重力波強度究竟有多大。在這個跨國團隊中,需有良好溝通,且事先做好計畫,否則一旦錯過11月到2月,南極得以進出的時間,就需再等一年。

我們用的實驗的折射式望遠鏡,有兩片透鏡,約一個成人的大小,困難之處,是靈敏的偵測器(Detector),必須冷卻至極低溫才能運作。

我們的實驗非常複雜,所用的物理與工程概念既廣且深,每部分都是團隊自行設計。我們隨時都要找廠商,將設計圖製造出來。一開始找廠商製作這種望遠鏡,被廠商視為「瘋狂」,但我們教導他們,最終廠商也成功製造出來,他們不知道他們公司可以做到。我們的科學目標雖然高遠,這也算我們無形中提供的產學合作的入世價值吧。

問:可以透露下一步研究計畫嗎?

答:今年年底,會再去南極一次,主要是進行BICEP3階段,確認我們現在發現的訊號,是否是重力波造成,未來幾年,研究團隊計畫用多頻率、更靈敏的儀器,在排除如銀河系等宇宙前景干擾的情況下,進行確認、證實。

問:多年來,你的研究都是在南極進行,為何麼選擇到南極,第一次是在何種情況下成行?

答:第一次去南極是讀博士班時,我當時是指導教授第一個學生,因為我看他研究「用微波看宇宙背景輻射」的ACBAR實驗,覺得很有興趣,便去當他學生。

在天文學來說,距離愈遠,代表年代愈古老。南極是研究宇宙背景輻射的聖地,微波會被水吸收,因此需要高海拔、溫度低、少水氣的地方,訊號才不會被吸收。

第一次到南極,是與教授和其他研究者一起去,因為南極只有在每年11月1日至隔年2月14日開放,所以我們約在年底出發。

2001年再去之後,完成博士學位,畢業後持續進行新計畫,同時加入目前的BICEP研究團隊研究,2005、2008年分別去過南極,一次約停留兩個月左右。目前為止,我總共去過四次南極,今年底還會再去一次。

問:南極已成為全球科學研究的重鎮,你們的科學實驗站到底怎麼運作?

我們的實驗,受到美國科學會(NSF)全力支持,我們先坐飛機抵達紐西蘭基督城,實驗儀器準時送到范杜拉(Ventura)北邊的Port Hueneme,幾天後便會出現在南極。連禦寒衣物,NSF也都準備齊全。

抵達基督城後,便搭乘美國軍用運輸機,到南極的McMurdo,這是個美國科學實驗站,用來研究大氣、冰河等。運輸機有兩種,一種是噴射型C17,到McMurdo約五小時,另一種是螺旋槳的C130,約飛七小時。

但我們的研究,必須再搭軍用運輸機再往南飛三個多小時,到南極點(South Pole),這時只能搭乘C130,因該飛機有安裝雪橇,可在軟雪的表面降落。一般來說,加上等待飛機、天候的過程,從美國出發,三天內可抵達南極點。

那邊的氣候,大約是攝氏零下30度左右,11月有時溫度會降至攝氏零下四、五十度。12月、1月,溫度會慢慢上升,最熱時溫度大約是華氏0度。

2000年第一次到南極時,並沒有大型科學站,是睡在有暖氣設備的軍用帳棚內,木頭上面蓋著帆布,用柴油發電。南極海拔挺高,約2850公尺,剛開始去,空氣很清新,但有時會呼吸困難。

當地有專業廚師,十多年前沒有新鮮蛋、蔬菜等供應,對外通訊用人造衛星,比現在差。

2003年,大型科學站建立後,研究環境改善很多,科學站內有溫室、撞球台、籃球場、餐廳、房間,還有溫室,種植新鮮蔬菜,裝設網路電話,一天大約有七、八小時,透過衛星可上網。

我們所處的南極點,看不到企鵝,我也只在McMurdo遠距離看過。我們會舉行「繞著地球跑」活動,只要繞著南極點跑一圈,全長約三哩的路跑,就是繞著地球跑了。我們也常常觀察空氣中的冰晶,每個冰晶都不相同,稱之為「幻日現象」。南極點是美國科學站,南極大陸其他地點除美國科學家外,還有來自俄國、中國、日本科學家。

問:深入南極,碰到最困難、令人沮喪的情況是什麼?

答:我算很幸運,進入南極的過程,並沒碰到太艱困情況,但曾有科學家,從基督城起飛,快抵達McMurdo實驗站時,因天候太惡劣無法降落,只能再飛回基督城。單程一趟七小時,這下子又得花上七小時回基督城,等於花上14小時,又回到原點。

當然,我們也從過去多年來在南極的失敗經驗中,學到不少。早期儀器,很多暴露在酷寒中的動力機械裝置(Moving Part),都因氣溫太冷故障,包括望遠鏡太冷失焦、動力系統損壞,熱漲冷縮情況嚴重。原本替這些儀器「穿衣服蓋電毯」,發現根本不夠,因此現在將儀器都放在室內,只露出鏡頭部分。

問:今年4月到6月你在台灣進行四、五場演講,對台灣高等教育、學生有什麼看法、建議?

答:台灣的科學與高科技的土壤還是相當肥沃,學生數學理化底子很好,這是台灣學子優勢,美國近幾年已經驚覺數理的重要與自身教育的不足。現在台灣有些雜音,要減少數學課程時間,等於自廢武功,將台灣學生優勢拿走。我認為要讓學得來的人,有機會學習,不能太快決定這個學生學不來。

但台灣的研究機會,相較美國就少一些,這幾年台灣學生願意出國留學的不多,大家都怕麻煩,有陣子電子產業景氣好,大家一畢業就在新竹園區找了工作,留學風氣少很多,我認為若有機會出來看看,是很好的。

問:你從小喜愛天文,啟蒙是在何時?如何開展出自己的一片天?

答:大概是國小時,從有印象以來,就對天文很有興趣,小時候常常問自己「宇宙有沒有邊」、「宇宙是否有限,還是無限大」,通常我會這樣問自己,無人可以回答時,便開始看書,希望找到答案。

我的老家在桃園中壢,高中時跨區到台北考上建國中學,之後進入台大物理系,大學時期加入天文社。大學畢業後,曾在1995年至1996年,在前中研院天文物理研究所所長袁旂研究。之後到柏克萊加大攻讀物理,2003年拿到博士學位。畢業後至2007年,我到南加州,在加州理工學院、噴射推進實驗室(JPL)進行博士後研究,2008年再到史丹福大學至今。

目前我的團隊內,有五名博士生、兩名博士後研究生、三位研究助理,約十人,算是規模不小的團隊。

問:研究之外,你是如何兼顧家庭、休閒生活?

答:太太周念縈小我一屆,台大法律系畢業後,就讀台大新聞研究所,曾在台灣聯合報擔任過編輯,我們是同一社辦認識、交往。有一兒一女,分別是五歲與一歲。

我們一起到柏克萊加大唸書,現在我們還是會一起翻譯書籍,包括知名物理學家霍金寫的「我的人生簡史」等四本書,另外「愛因斯坦—他的人生他的宇宙」、「科學的九堂入門課」等,都是太太與我一起翻譯。

休閒生活,大都是太太安排,每年全家都會去旅遊,大家去過的我們都去過,沒去過的地方,如印度、加拉巴戈群島、北極圈育空區等地,我們也去過了。

家人沒去過南極,太太也想去,所以我們考慮明年到南極旅遊。

採訪側記

儘管因測得宇宙大爆炸後的重力波訊號,支持宇宙暴脹理論,成了國際知名學者之一,甚至被媒體譽為「諾貝爾得主」熱門人選之一,郭兆林依舊一派輕鬆、低調與隨性,絲毫不受「盛名」影響。

採訪當天,適逢郭兆林應南加州台灣大學校友會之邀,特別搭機到南加州,在校友會年會上講解「宇宙的起源」。一身簡單的休閒襯衫、褲子的低調打扮,進入記者會現場時,部分校友會成員,甚至不知道「這位就是教授」。

「郭兆林就是個平凡人」,周念縈不止一次在報章雜誌專訪上,這樣定義著他。事實上,年輕的郭兆林平易近人,演講會上,不時出現「郭氏幽默」,講起艱澀、困難的科學理論,儘量使用「平凡人聽得懂」的語言,舉出簡單的比喻,希望讓大家聽得懂。

「我單純是有興趣」,採訪時,郭兆林如此強調,話不多的他,談起「宇宙」、天文物理,卻又顯得自信、從容。

或許,就是這股「科學家的執著」,人類自古以來「宇宙怎麼來」的疑惑,可以很快有答案。
 
史丹福大學郭兆林證實宇宙暴脹理論 獲物理界聖杯

 
郭兆林(前排右三)與實驗室學生聚會。(郭兆林提供)
 
史丹福大學郭兆林證實宇宙暴脹理論 獲物理界聖杯

 
郭兆林參加SLAC研討會。(郭兆林提供)
 
史丹福大學郭兆林證實宇宙暴脹理論 獲物理界聖杯

 
郭兆林長期在南極點研究。圖為地球最南端南極點,背景是搭乘的C-130軍用機。(郭兆林提供)
 
史丹福大學郭兆林證實宇宙暴脹理論 獲物理界聖杯

 
史丹福大學物理系助理教授郭兆林(前排左三),日前應邀至南加州,參加南加州台大校友會年會,並舉行演講。(陳盈霖/攝影)
 
史丹福大學郭兆林證實宇宙暴脹理論 獲物理界聖杯

 
郭兆林在南加州台大校友會演講。(陳盈霖/攝影)
 
史丹福大學郭兆林證實宇宙暴脹理論 獲物理界聖杯

 
郭兆林在南加州台大校友會演講。(陳盈霖/攝影)
 
史丹福大學郭兆林證實宇宙暴脹理論 獲物理界聖杯

 
郭兆林與妻子周念縈與孩子在沖繩島合影。(郭兆林提供)


郭兆林小檔案

台大物理系學士

台大物理系碩士

柏克萊加大物理系博士
 
噴射推進實驗室(JPL)/加州理工學院博士後研究

現任史丹福大學物理系助理教授

獲史隆基金會(Alfred P. Sloan Foundation)獎助

獲美國國家科學基金會(NSF)贊助並獲CAREER獎助
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