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大霹靂、暴脹理論與重力波

2016/11/29
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美國科學團隊3月17號宣布一個令人振奮的重大發現,他們偵測到愛因斯坦提出的「重力波」,為宇宙學當中非常重要的「暴脹理論」提供了證據。「暴脹理論」認為,大霹靂之後,宇宙應該經歷過極為快速的劇烈膨脹,並會產生重力波。重力波就像小船經過湖面,在湖面上激起的水波一樣。
 
 

暴脹理論預測,宇宙在大霹靂之後快速膨脹的「暴脹現象」,會產生重力波,更精確的說法是,暴脹會產生隨機的「宇宙重力波背景」。(圖片來源:wiki)
▲暴脹理論預測,宇宙在大霹靂之後快速膨脹的「暴脹現象」,會產生重力波,更精確的說法是,暴脹會產生隨機的「宇宙重力波背景」。(圖片來源:wiki)
 
美國科學團隊3月17號宣布重大發現,他們偵測到愛因斯坦提出的「重力波」,並為宇宙學當中非常重要的「暴脹理論」提供了證據。研究計畫中關鍵的偵測儀器,是由出身台灣的學者郭兆林設計,也引發國人關注。請聽今天的科學三分鐘,為您介紹相關的研究內容:大霹靂、暴脹理論與重力波。

談到宇宙的起源,現在廣為人知的主流理論就是「大霹靂理論」。學者假設,宇宙一開始是處於高溫、密度極大的狀態,因為發生了大霹靂而不斷膨脹。隨著膨脹,宇宙逐漸降溫,大霹靂當時極高溫度的熱輻射,也慢慢變成肉眼看不見的「宇宙微波背景」,簡稱「CMB」。

1967年,人類首度發現了「宇宙微波背景」CMB的存在。1990年,美國航太總署公布了研究成果,證明CMB是完美的黑體輻射,溫度是2.73 K,大約是攝氏零下兩百七十度左右。

1992年,相關研究又有了一項重大進展,甚至被物理學家史蒂芬.霍金讚譽為「二十世紀最重要的發現」。原來,雖然在宇宙當中,CMB在各個方向的溫度大致相同,但是從不同方向測量,溫度還是有十萬分之一的差異,顯示了宇宙在極早期的物質分布有一點點的不均勻,也就是這種不均勻,造成了目前宇宙的星系結構,包括太陽系在內。以上種種證據,都讓科學界慢慢接受「大霹靂理論」。

不過,關於宇宙起源的研究,還是有許多問題尚未解決。1984年,科學家古司提出「暴脹理論」,認為大霹靂之後,宇宙應該經歷過極為快速的劇烈膨脹。這個理論成功地解釋了宇宙學的許多問題,很快就成為「早期宇宙」理論的正宗。

然而,要證明暴脹理論成立,還是缺乏強而有力的證據。這個證據要到哪裡找呢?重要的線索,就在愛因斯坦廣義相對論裡提到的「重力波」。

愛因斯坦預測,運動中的物體會擾動周圍的時空,產生「重力波」,就像小船經過湖面,會在湖面上激起水波一樣。不過,要觀測重力波非常困難,直到今天,都還沒有人直接測量到它。

暴脹理論跟重力波有什麼關係呢?原來暴脹理論預測,宇宙在大霹靂之後快速膨脹的「暴脹現象」,會產生重力波,更精確的說法是,暴脹會產生隨機的「宇宙重力波背景」。可惜,這個重力波目前也沒有測到。

聽起來有點像是開玩笑,不過科學研究就是這樣不斷地找線索。雖然測不到重力波,但這個「宇宙重力波背景」卻會影響到我們前面提過的「宇宙微波背景」CMB,讓它產生某種微小的「偏極化」波紋,專有名詞為「B-mode偏極」。打個比方,我們看到潮水在堤防壁上留下的痕跡,雖然沒有看到潮水,卻可以推斷漲潮的時候潮水有多高。同樣地,只要觀測到「B-mode偏極」這個微小的波紋,就可以證明「宇宙重力波背景」的存在。郭兆林教授參與的團隊,就是透過觀測CMB,看到了「B-mode偏極」。

本單元科學顧問,清華大學天文所張祥光教授表示,這項研究成果為暴脹理論找到證據,也證明了愛因斯坦提出的重力波的確存在,是宇宙論發展上的重要里程碑。

【本單元由科技部補助製播】2014-03-30 16:55:00播出

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