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宇宙又大又驚奇!

「我們所知愈多,就發現自己所知的愈少。」近幾十年宇宙學的蓬勃發展,讓我們一窺宇宙神祕樣貌之餘,更留下許多謎團,至今科學家仍一步步探索著它的真面目。
 
 

切侖科夫輻射示意圖(圖/ 臺灣大學梁次震宇宙學與粒子天文物理學中心)
▲切侖科夫輻射示意圖(圖/ 臺灣大學梁次震宇宙學與粒子天文物理學中心)

 

近幾十年來,拜觀測及研究技術所賜.科學家觀察到許多以往看不到的宇宙天體及現象,逐漸對宇宙的生成、演化有了一些了解;但科學家也愈來愈發現,宇宙的驚奇之處多得數不清!舉例來說,宇宙超級大,光是銀河系內像太陽這樣的恆星就有2000億個,而像銀河系這樣的星系,光是在可見宇宙中就有100億個……。宇宙之大,令人無法想像。

 

而宇宙令人不解之處更是多得不得了,從可能遍布整個宇宙的暗能量、暗物質,到傳說中可把一切物質吸入的黑洞,再到小得看不見的宇宙射線粒子,可說宇宙充滿著「大大小小」的謎團,等著科學家探索。臺灣大學梁次震宇宙學與粒子天文物理學中心主任陳丕燊,秉持著研究宇宙的精神,希望能揭開宇宙一部份的神祕面紗。

 

尋找微中子的蹤跡

 

ARA陣列偵測器(圖/臺灣大學梁次震宇宙學與粒子天文物理學中心)
▲ARA陣列偵測器(圖/臺灣大學梁次震宇宙學與粒子天文物理學中心)

 

在次震宇宙館的各種科學計畫中,一個主要目標便是偵測微中子。微中子分為電子微中子、緲子微中子及淘子微中子三種「風味」,它們是基本粒子中最難偵測的,因為它們能穿透宇宙中所有的物質,並且幾乎不與物質起反應。

 

不過,當微中子經過高密度的物質──例如冰層時,還是有可能很偶然地撞擊到一個原子核,產生正負電子對(包括電子及電子的反粒子:正子),這對正負電子又可能分別與原子核作用產生新的正負電子對,在連鎖反應下,會產生許多以接近光速前進的正子與電子。而另一方面,正子比較容易被冰層吸收,因此這群在冰層中以接近光速前進的正負電子對,很快就成了一個帶負電的帶電體。這個帶電體在冰層中的速度接近光速,然而光本身在冰層中的速度卻會減慢到只有真空中光速的76%,在這種情況下,跑得比光還快的帶電體會產生一種稱為「切倫科夫輻射」的無線電波輻射,如果可以偵測到這個輻射,就等於偵測到了微中子。

 

因此,陳丕燊前後發起了ANITA、ARA計畫,利用南極的巨大冰層來找出微中子的訊號。目前正在進行中的ARA計畫,將在南極冰層下埋入37個觀測站,涵蓋約100平方公里的範圍。另一方面,陳丕燊也發起稱為「太魯閣實驗」(TAROGE)的天線陣列天文臺計畫,在臺灣東部花蓮縣秀林鄉和平村約1000公尺高的山上安裝無線電波天線,同時偵測來自宇宙的超高能宇宙射線及穿透地球而來的微中子訊號。不過陳丕燊表示:「雖然現在我們已經確認這個探測原理可行,然而臺灣周遭的雜訊干擾實在太多了。」於是團隊又重回南極,在南極2750公尺高的墨爾本山上安裝天線,利用同樣的方式觀測。

 
在南極冰層中安裝ARA陣列偵測器(圖/臺灣大學梁次震宇宙學與粒子天文物理學中心)
▲在南極冰層中安裝ARA陣列偵測器(圖/臺灣大學梁次震宇宙學與粒子天文物理學中心)

 

探索黑洞遺失訊息悖論

 

陳丕燊的另一個研究目標與黑洞有關。儘管一般認為黑洞就像個貪得無厭的怪獸,對一切物質只進不出,但近代知名的物理學家霍金卻根據量子力學,提出「霍金輻射」,意思是黑洞並不是完全黑,而是會以輻射的形式放出一點點光,然後質量逐漸縮小,溫度逐漸上升,蒸發愈來愈快,然後消失。

 

這個結果和量子力學中「資訊守恆」的原則互相矛盾,因為一開始落入黑洞的物質是含有資訊的,但黑洞最後卻是完全以熱的形式蒸發,沒有資訊。那麼這些訊息去哪了?黑洞可能遺失資訊,意味著預測黑洞存在的廣義相對論,與量子力學之間可能存在矛盾。

 

而另一方面,我們幾乎不可能看見一個黑洞完全蒸發,因為根據理論,一個太陽質量的黑洞要蒸發要耗費1067年,而宇宙至今的年紀也才1.38x1010年。因此,陳丕燊和法國物理學家穆胡(Gérard Mourou,2018諾貝爾物理獎得主之一)提出了一個「類比黑洞」的構想。他們計畫在實驗室中,以超強的雷射打擊電漿,產生一種稱為「尾隨場」的現象,再將整個系統加速,尾隨場就像一面鏡子,當它在加速度系統中,可以比擬在黑洞的事件視界上發生霍金輻射的情形。陳丕燊說:「這樣一來,我們不用等那麼久,就可以觀察到黑洞中的資訊是否真的遺失了。」

 

如果我們真的偵測到微中子是什麼玩意了,又搞清楚黑洞裡的資訊到底跑到哪兒去了,我們對宇宙是不是就有了更深一層的了解了呢?是,也不是,畢竟宇宙總是喜歡給我們驚奇,在我們發現新事物的同時,一定又會對它產生更多疑問,而這也正是宇宙學的迷人之處!

 

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