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1700916890 我意识到,宇宙学进入了一个黄金时代。新的发现吸引了无数新人和新资金进入这个领域,又再一次促成了新发现的涌现,构成了一个良性循环。会议结束后的一个月,也就是1996年4月,两颗新卫星的基金通过了批准,它们的分辨率和灵敏度都远远大于COBE卫星。其中一个是NASA的WMAP探测任务,是由莱曼·佩奇带头的严谨团队。还有一个是欧洲的项目——普朗克卫星,我为它的基金申请工作做了计算和预测,这让我非常开心。由于空间任务通常需要花很多年来做计划,于是,为了抢在WMAP探测器和普朗克卫星之前出成果,全球各地的小团队都在你追我赶,企图在它们发射之前摘些酸果子。结果,萨斯卡通项目抢到了第一个风头,由此开启了我参与的一系列好玩项目。
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1700916892 接下来,我和许多实验物理学家一起工作。这些实验的名字都稀奇古怪,比如HACME、QMAP、特纳里夫岛(Tenerife)、POLAR、PIQ和飞去来器(Boomerang)。我同他们合作,利用他们的数据来制作宇宙“婴儿照”,并探索其中关于宇宙的秘密。我最基本的游戏规则是担任理论与实验的中间人——我感到,宇宙学正从一个极度缺乏数据的领域,转变成一个拥有超多数据的领域,这些数据多到让人无所适从,所以我决定开发一个工具来充分处理这种数据“雪崩”。具体地说,我的战略是运用一种叫信息论的数学方法,在一个给定的数据集中搜寻与宇宙相关的信息。通常,几兆字节(MB)、几吉字节(GB),甚至几太字节(TB)的信息中,只有非常稀少的几个比特是关于宇宙的信息。它们以十分复杂的方式深深隐藏在纷繁杂乱、数据庞大的噪声中,这些噪声来自探测器的电子设备、大气辐射、银河辐射等各种各样的源头。当时,有一个完美的数学方法可以完成这项大海捞针的任务,但在实践中做起来太复杂,需要计算机进行几百万年的运算。而我发表的几个数据分析方法虽然并不完美,但提取信息的速度足够快,适用于实践。
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1700916894 我喜欢宇宙微波背景辐射的原因有很多。比如,它促成了我的第一段婚姻,让我拥有了两个可爱的儿子,菲利普和亚历山大。我和我的前妻安赫丽卡·科斯塔(Angélica de Oliveira Costa)走到一起,正是因为她从巴西来到加州大学伯克利分校读乔治·斯穆特的研究生。我们的合作亲密无间,不仅限于给孩子换尿布,还包括我前面提到过的许多数据分析项目。其中一个项目是QMAP,它是一个望远镜,装在一个高空气球上,由莱曼·佩奇和马克·德夫林(Mark Devlin)等人放飞到高空,以避免受到地球大气层的微波噪声干扰。
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1700916896 不好了!1998年5月1日凌晨2点,一切看起来都糟透了。还有7个小时,我们的飞机就要飞往芝加哥,我将在那里的一场宇宙学会议上演讲,公布QMAP项目的最新结论。但此时此刻,我和安赫丽卡却在普林斯顿高等研究院的办公室里焦虑不已。宇宙微波背景辐射实验容不下一点错误,也不能忽视任何重要的东西。在科学界,可信度的关键要素是被另一个独立的实验所验证。但由于人们聚焦的天区不同,采用的分辨率也不同,所以根本不可能通过比较两个实验的结论来验证它们是否相符。然而,萨斯卡通和QMAP的天图在一处香蕉形状的天区正好产生了重叠(见图2-5)。我和安赫丽卡灰心丧气地盯着计算机屏幕,感到心沉到了谷底——萨斯卡通和QMAP重叠的那部分天图并排显示在屏幕上,而它们俩根本没有一点相似之处!我们眯着眼睛仔细看,企图把这些差异想象成设备的噪声。但这只是美好的幻想。我们所有的努力都表明,这两张天图中至少有一张是完全错误的。我怎能拿这个结论去演讲呢?这不仅是对我们自己,也是对所有建造和运行实验的科学家们的羞辱。
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1700916898 安赫丽卡全神贯注地凝视着我们的计算机程序,突然间,她发现了一个可疑的负号,大概会使QMAP天图呈颠倒状。我们修正了这个负号,重新运行代码。面对计算机屏幕上的结果,我俩面面相觑,大气都不敢喘——两幅天图几乎完全一样!成败在此一举!接下来,我们睡了短短的几个小时,就飞往了芝加哥。把租来的车停好后,我几乎全靠肾上腺素驱动,一路小跑到费米实验室礼堂。时间不早不晚,刚好轮到我演讲。我实在太兴奋了,根本没注意到自己已经违章停车。直到晚上,我发现我的车离奇地失踪了。
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1700916900 “你把车停哪儿了?”保安问。
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1700916902 “哦,就停在外面啊,在消防栓的正前方。”我回答道,突然脑袋里“咣”的一声,一天内第二次恍然大悟——车被交警拖走了。
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1700916904 宇宙的“沙滩球”
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1700916906 宇宙微波背景辐射引起的淘金热,持续了好几年。这期间,有20多个不同的实验室在你追我赶——我会告诉你一些相关故事。然后,终于轮到WMAP探测器粉墨登场了。2003年3月11日下午2点,房间里挤满了人。我们都挤过来看NASA电视台,因为WMAP项目团队将要公布他们的结果。地面实验和气球实验都只能绘制一部分天区的图像,但WMAP探测器却能像COBE卫星一样,用它超高的分辨率和灵敏度描绘整个天空。我的感觉就像小时候过圣诞节,圣诞老人最后终于出现了——唯一不同的是,圣诞节只需等上几个月,而为这一天,我已经等了好几年。事实证明,等待是值得的——WMAP项目团队公布的图片令人震惊。他们废寝忘食地工作,从申请经费到建设、发射、数据分析和得出结论,只用了不到6年的时间,比COBE卫星快3倍。实际上,为了保持进度,WMAP项目的带头人查克·班尼特(Chuck Bennett)几乎害死了自己——该项目的重要贡献者大卫·斯伯格尔(David Spergel)告诉我,在卫星发射后,班尼特的身体崩溃了,不得不住了三个星期的医院。
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1700916908 此外,WMAP项目团队还在网上公开了所有数据,这样,全世界的宇宙学家都可以尝试自己分析。对我这样的宇宙学家来说,现在终于轮到我们来废寝忘食地疯狂工作了,而他们总算可以高枕无忧地睡大觉。他们的观测结果很出色,但受到了银河系射电噪声的污染。你可以从图2-5中的COBE天图里看到,天图中央有一条水平的条带。对于此,有一个坏消息和一个好消息。坏消息是,来自银河系和其他星系的微波污染遍布整个天空,几乎无处不在,尽管程度很低,而且不容易看到;好消息是,这些污染的颜色与我们想要的信号不同(颜色取决于频率),而WMAP探测器采用了5个不同的频率。用这些信息,WMAP项目团队可以清除污染,而我兴奋地发现了一个更好的方法可以完成此事。
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1700916910 我的方法基于信息论,由此得到了一张更清晰、分辨率更高的照片(见图2-5右下)。我和安赫丽卡以及我们的老朋友安德鲁·汉密尔顿(Andrew Hamilton)一起工作了一个月,终于提交了一篇论文,之后我的生活才慢慢重回正轨。图2-4里有一个球形的微波背景图像,类似的图像也出现在本书的封面上。制作这种图的过程非常好玩,给我带来了很多快乐。WMAP项目的团队也很喜欢干这件事,他们甚至做了一个自己的版本,并把它印在一个塑料沙滩球上。这个球现在还在我的办公室里,让整个屋子蓬荜生辉。我把它称为“我的宇宙”,因为它是一个象征、一个符号,将我们目之所及的万事万物都被囊括在内。
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1700916912 邪恶轴心,天图的神秘队列
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1700916914 接下来,让我们来仔细看看宇宙微波背景中的那些星罗棋布的斑点。从这些斑点的大小,我们能解答许多关于宇宙的秘密。我们知道,声音和颜色都可以被分解成不同频率的组合。与之类似,我们也可以把二维的宇宙微波背景辐射图分解成若干个组分(见图2-6),它们有一个古怪的名字,叫多极矩(multipoles)。本质上来说,这些多极矩天图包含着大小不一的斑块。然而,从COBE卫星开始,人们就注意到了一件可疑的事情——第二个多极矩,也就是四极矩天图中,最大的几个斑块比预计的弱很多。然而当时没人能作出一张四极矩天图,来看看究竟发生了什么,因为这需要一张全天图,但银河系的微波干扰对一些天区造成了不可修复的污染。
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1700916919 图2-6 将图2-5中的WMAP探测器天图分解成一组多极矩的加总,可以看到,其中斑点变得越来越小。最前面的两个天图(左图和中图)中,亮斑排列成一个神秘的队列,被称为“邪恶轴心”。不同的颜色代表与平均温度相比的冷热程度。下方的色条代表单位是μK,也就是1开氏度的百万分之一。
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1700916921 现在,有了WMAP探测器的结果,我们终于获得了清晰的天图,看起来可以拿来一用。那是一个深夜,在我们提交天图论文之前不久,安赫丽卡和孩子们都已经睡了,我也正准备上床。但我实在太好奇了,很想看看那讨厌的四极矩会变成什么样,所以我决定写一个计算机程序,生成一张图片来看看。当图片从计算机屏幕上蹦出来时(见图2-6左图),我顿时被迷住了——它不仅比预想的更弱(较冷和较热区域之间的温度起伏几乎接近零),并且沿着一条有方向的一维条带分布,而不是理论预测的随机分布,所以看起来十分有趣。我当时已经困得要死,但为了奖励自己深夜还在工作,我决定再调试一张新图片,于是我把2改为3,得到了一张第三极矩,也就是八极矩的图片。天呢!这究竟是什么?屏幕上出现的图片中,斑块的分布同样遵循一个一维的条带,方向与四极矩基本相符(见图2-6中图)。这可不是宇宙应该有的样子啊!和我们平时拍的照片不同,宇宙的照片不应该存在一个特殊的方向,比如“上”——它应该看起来很随机,不管你怎么旋转照片,看起来应该都一样。然而,我屏幕上的这张宇宙“婴儿照”却拥有斑马一样的条纹,排列在一个特别的方向上。我怀疑我写的代码有问题,于是又把3改成4,出现了第三张图(见图2-6右图),这次和预测的完全一样——斑点随机分布,没有特殊的方向。
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1700916923 安赫丽卡再次检查了数据,确认一切无误之后,我们把这个惊奇的发现写进了天图论文。令我惊讶的是,《纽约时报》竟然提到了我的论文,还派了一个摄影师过来给我拍大头照。接下来,包括我们在内的许多团队都对数据的细节进行了更深入的研究。有些人把那个特殊的方向戏称为“邪恶轴心”;一些人则辩称这是统计学上的巧合,或者是来自银河的干扰。还有人认为,事实应该比我们想象的更神秘,并声称他们用不同的方法在第4和第5极矩中也找到了类似的异常现象。此外,还涌现了一些新奇的解释,比如,我们生活在一个小小的“面包圈宇宙”中,空间转一圈后与自身相连,但后续的分析认定这是不可能的。直到今天,我对“邪恶轴心”的困惑与那天晚上相比,一点也没有减少。
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1700916925 从0到1,宇宙微波背景理论的历程
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1700916927 2006年,安赫丽卡和我被邀请到斯德哥尔摩,庆祝COBE卫星的研究成果获得诺贝尔物理学奖。不出所料,COBE团队内部开始争抢功劳。最后,奖项由乔治·斯穆特和约翰·马瑟(John Mather)二人分享。看到他俩和解,我十分欣慰。整个COBE团队都被邀请过去,沐浴在当之无愧的荣耀中。我感到,那些不愉快的嫌隙被无休止的高雅酒会用一个明显的事实所黏合了,那就是,他们完成了一项伟大的工作,不仅让两个人同时获得了诺贝尔奖,更重要的是,他们拍下的第一张宇宙“婴儿照”创造出了一个生机勃勃的新领域,把宇宙学的研究带进了一个崭新的时代。我多么希望,乔治·伽莫夫、拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼也出现在这里。
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1700916929 2013年3月21日清晨,我5点就起床了,为了看一个巴黎的网络直播——普朗克卫星团队即将公布他们的第一张宇宙微波背景辐射图像。过去的10年里,ACBAR、ACT、南极望远镜等实验设备都曾拓宽我们对宇宙微波背景的知识,但普朗克卫星才是WMAP探测器以来最大的里程碑。我正在刮胡子时,乔治·艾夫斯塔休(George Efstathiou)正在向公众讲述他们的成果,突然一股怀旧和兴奋交织的感觉涌上了我的心头。我仿佛回到了1995年3月,当时艾夫斯塔休邀请我到牛津大学去和他合作,为还未发射的普朗克卫星开发一种新算法。这是我第一次被邀请参加学术合作,感到十分荣幸。我们一起开发出了一种去除干扰信号的新方法,帮助普朗克项目得到了欧洲空间局(ESA)的资金。时光荏苒,现在浴室镜里这个老了8岁、正在刮胡子的我,终于要看到这个项目的成果了。
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1700916931 当艾夫斯塔休展示普朗克卫星最新的天图时,我忍不住放下刮胡刀,找出我们之前清除了前景干扰的WMAP探测器天图放在笔记本电脑屏幕旁边。它们几乎严丝合缝!宇宙邪恶轴心依然存在!我把这两张图都放到了图2-5中,好让你进行对比。你可以看到,所有大尺度结构都能精致地吻合在一起,但普朗克天图中有更多的小斑点。这是由于它有出众的灵敏度和分辨率,能拍下WMAP探测器因无法辨认而模糊掉的小细节。普朗克卫星证明,我们多年的等待是值得的!由于它出色的质量,普朗克卫星总算为WMAP探测器之前的表现提供了一份可对照的答题卡。仔细消化普朗克卫星的结果后,我认为WMAP项目团队的工作完全能得A+。当然,普朗克卫星项目团队也是如此。然而我认为,普朗克卫星给人们最大的惊喜就是:没有惊喜——从本质上说,它再一次确认了我们已经相信的宇宙图景,只是更加精确。宇宙微波背景辐射,终于成熟了。
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1700916936 泰格马克教授将普朗克卫星天图投影到了一个球体上,读者可以仔细端详它丰富的色彩和细节。扫码关注“湛庐教育”,回复“穿越平行宇宙”获取该图。
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1700916938 到现在为止,我们已经将最早的时间由140亿年前拨回到大爆炸后40万年,看见周围的空间充满了炙热的等离子体。那时候,没有人,没有行星,没有恒星,也没有星系——只有原子在弹来蹦去,辐射出耀眼的光芒。然而,更加神秘的问题浮出水面:这些原子从何而来?
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