1702203870
1702203871
1702203872
1702203873
三汤对话 [:1702202832]
1702203874
三汤对话 改变人类认识的一座里程碑——纪念宇宙微波背景辐射发现50年
1702203875
1702203876
大爆炸宇宙论是20世纪最重要的科学发现之一。它彻底改变了人类对宇宙的认识，其影响远远超出了科学本身。
1702203877
1702203878
1929年，被尊为星系天文学之父的哈勃发现距地球越远的星系离地球而去的速度就越快，而且这个速度和地球与星系之间的距离成正比。这就是著名的哈勃定律。哈勃定律不仅适用于从地球上进行的观测，而且也适用于从宇宙中任何地方进行的观测。也就是说，无论观测者在哪儿，都会看到同样的现象。这表明星系与星系间的距离在不断变大，因而意味着宇宙并非是一个静态的、稳定的宇宙，它正在不断地膨胀！以宇宙在不断膨胀这一事实为出发点，如果将宇宙的演化看成一部电影，把这部电影反过来放就不可避免地得出宇宙有“起点”的结论，这是最早的对勒梅特（Georges Lemaître）在1927年提出的宇宙大爆炸理论的一个有力支持。根据大爆炸理论，宇宙最初从一点爆发出来，整个宇宙空间连同其内的物质一起“向外”膨胀，不管我们以哪个星系作为立足的观测点，其他星系都在离我们而去，这也正是哈勃定律的结论。有一点必须说明一下，“向外”是不确切的说法，因为根本没有“外”，膨胀的是我们身处其中的宇宙空间本身。勒梅特的理论基本上属于一种猜想，并没有从物理学上提供坚实的理论基础。正因为如此，人们如今才会普遍把伽莫夫（George Gamow）看成真正的“大爆炸宇宙学之父”。伽莫夫在1946年的一篇论文里把原子核物理与广义相对论巧妙地结合在一起，计算了宇宙最初阶段的膨胀速度，提出了宇宙在极高密度下快速膨胀、密度快速下降的机制。这篇文章刚发表时并没有引起太多的关注，在若干年后才越来越显示出它的深远影响。不管伽莫夫的理论多么巧妙，它仍然需要得到观测或者实验方面的证实，否则只能算是一种高明的猜想。哈勃定律显示我们所处的宇宙空间正在不断地膨胀，宇宙存在起点是它的一个自然推论，但并不能告诉我们宇宙最初的情况是什么样的，当然也就更不可能告诉我们宇宙从初始到今天的发展过程了。
1702203879
1702203880
对大爆炸宇宙论最强有力的直接支持之一，是宇宙微波背景辐射场的发现。
1702203881
1702203882
1948年，伽莫夫在《自然》上发表了一篇文章，预言了宇宙微波背景辐射场的存在。他的论断主要基于两点：一、目前宇宙中现存物质元素的比例意味着宇宙最初的温度约为10亿摄氏度；二、随着宇宙的膨胀，温度会不断降低，但不会成为零。不久之后阿尔菲（Ralph Alpher）和赫尔曼（Robert Herman）估算出如果宇宙最初的温度约为10亿摄氏度，则目前的宇宙应残留约5—10K（K是绝对温标，零K约为零下273摄氏度）均匀分布于宇宙间的黑体辐射。也就是说，排除了各种星体的影响后，宇宙空间的温度应为5—10K。然而他们的工作在当时并没有引起天文学界和物理学界的重视。直到60年代初，苏联的泽尔多维奇（Yakov Zel’Dovich）和美国的狄克（Robert Dicke）分别独立地“重新”发现了伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼的预言—宇宙应当残留有温度为几K的背景辐射。其后苏联的达瓦希科维奇（Andrei Doroshkevich）和诺维科夫（Igor Novikov）于1964年又进一步指出这种背景辐射在厘米波段（也就是微波波段）上应该是可以观测到的。
1702203883
1702203884
要想观测到对应于很低温度的辐射，首先需要排除来自其他方面的干扰，也就是各类“噪音”。普林斯顿大学的狄克在第二次世界大战期间曾服务于研制作战雷达的麻省理工学院辐射实验室，是低噪音天线方面的专家（他同时又是个理论物理学家）。1964年，他让他的同事劳尔（Peter Roll）和威尔金森（David Wilkinson）开始着手制造一种低噪声的天线来探测这种可能存在的微波辐射，他们所采用的克服噪音的方法，是狄克自己在“二战”中发明的一项增强雷达灵敏度的技术。狄克同时要求皮伯斯（Jim Peebles）从理论上重新计算宇宙中残留的辐射背景场的温度，用以作为制造新天线的参考依据。他们的天线还没造好，两个天文学家却歪打正着，在无意中抢先观测到了微波背景辐射！
1702203885
1702203886
彭齐亚斯（Arno Penzias）和威尔逊（Robert Wilson）是美国贝尔实验室研究天文观测的工程师，一直致力于超灵敏低温微波接收器（主要用于射电天文观测）的研制。1964年，他们改造了架设在新泽西州克劳福德山上的一台本来用于接收卫星信号的喇叭状天线，想利用它来研究来自银河系边缘的微波讯号。为了检测这台天线的噪音性能，他们将天线对准天空的不同方向进行测量。奇怪的事情发生了：不论他们把天线指向何方，在波长为7.35厘米的波段上总会收到一个噪音信号，这个信号既没有昼夜的变化，也没有季节的变化，因而可以判定与地球的公转和自转都无关。他们把天线指向80公里外的纽约市，信号没有明显不同，所以也不会是人类通讯或广播造成的。他们又把天线指向不同星系，信号还是一样，从而又排除了信号来自某些外星系的可能。起初他们怀疑这个信号可能源自于天线系统本身，于是对天线进行了彻底的检查和打扫，清除了天线上的鸽子粪便之类的东西。他们还将一对常来捣乱的鸽子邮寄到百多公里外的另一个实验室，不过这招并未管用，没过几天，这对鸽子又自己飞回来了。后来他们干脆将天线大卸八块，再重新组装起来。然而噪音信号依然如故。到1965年初，他们已经花了差不多一整年的时间，用尽了各种合理的和不合理的方法，希望能找出噪音的来源，但一无所获。彭齐亚斯和威尔逊最终不得不接受了这一事实：存在着一种无处不在、均匀分布的微波信号！彭齐亚斯于是给卡内基研究所的射电天文学家伯克（Bernard Burke）打了个电话，同他讲了他们的发现。伯克建议彭齐亚斯应该和狄克谈谈，因为狄克才是这方面的专家。接到彭齐亚斯电话的时候，狄克正和皮伯斯、劳尔及威尔金森一起吃午饭，而且恰好在讨论关于微波背景辐射的问题。狄克立刻意识到了彭齐亚斯所说的意味着什么，从狄克的表情和他对着电话说的只言片语，皮伯斯等人也马上感觉到有什么重大事件可能发生了。彭齐亚斯告诉他们的消息实在太重要了！放下电话，狄克立即与劳尔和威尔金森一道驱车直奔克劳福德山去见彭齐亚斯和威尔逊。在那间勉强能容得下他们五个人的小房间里，彭齐亚斯和威尔逊给狄克等人展示了观测数据，他们又一同仔细核对了一遍，确信数据正确无误。回到普林斯顿，他们既兴奋又沮丧。兴奋，是因为他们都深知如果其他进一步的独立观测确认彭齐亚斯和威尔逊的发现是正确的，那就证实了微波背景辐射的存在，从而为大爆炸宇宙论提供了一项具有决定意义的支持。这将是科学上极为重要的发现，而他们就是这一历史事件最早的见证人。沮丧，是因为在科学研究上，谁抢到第一，谁就能胜者通吃，他们在探测微波背景辐射方面所做的前期工作基本就没多大价值了。不过他们还是决定把他们的工作进行到底，毕竟科学实验或观测是需要多次独立验证的。几个月后，劳尔和威尔金森架设的天线也得到了与彭齐亚斯和威尔逊一致的数据。由于彭齐亚斯和威尔逊对大爆炸宇宙论与微波背景辐射之间的关系等理论问题所知十分有限，经过协商，大家决定由彭齐亚斯和威尔逊在《天体物理学报》上以“在4080兆赫上额外天线温度的测量”为标题发表论文，正式公布这个发现。狄克、皮伯斯、劳尔和威尔金森则在同一期杂志上以“宇宙黑体辐射”为标题另外发表一篇论文，对这个发现给予理论上的解释—论证彭齐亚斯和威尔逊观测到的这种辐射，就是宇宙大爆炸后残留下来的宇宙微波背景辐射。
1702203887
1702203888
1702203889
1702203890
1702203891
位于霍尔姆德尔镇克劳福德山上的喇叭天线
1702203892
1702203893
宇宙微波背景辐射的发现在近代天文学上具有非常重要的意义，它给了大爆炸宇宙论一个有力且直接的证据，因而与类星体、脉冲星和星际有机分子的发现一起被称为20世纪60年代天文学的“四大发现”。彭齐亚斯和威尔逊也因他们的这一发现而获得了1978年的诺贝尔物理学奖。
1702203894
1702203895
有意思的是，对宇宙微波背景辐射的研究并没有就此画上句号。
1702203896
1702203897
80年代，一批新人开始在宇宙论的研究中崭露头角。其中的一位关键人物是古斯（Alan Guth）。此人做学问的路一开始颇为不顺，从麻省理工学院取得博士学位之后，当了四期博士后，却长期得不到一份稳定的教职。1979年底，他终于一鸣惊人，提出了宇宙爆胀理论：早期宇宙存在一段极快速的膨胀过程—从大爆炸之后的10-36秒开始持续到10-33—10-32秒之间，在具有负压力的真空能量驱使下，宇宙呈指数型膨胀（也就是不断地加倍、再加倍……）在这极短暂的时间内膨胀了至少1078倍。此后宇宙经历了一次相变（一个常见的相变的例子是水蒸气随着温度的降低而凝结成水滴）而转变为以非指数形式继续膨胀，直至今天。爆胀理论可以成功解释不少宇宙学中存在的难题，比如为何观测不到磁单极以及宇宙背景辐射的视界问题等等。这个理论既简单又巧妙，让人一看就觉得是对的，以致让不少物理学家都有“如此明显的东西我怎么没有想到”之憾！
1702203898
1702203899
为了探索黑洞的性质，霍金等人在70年代曾把量子理论中的量子涨落与广义相对论相结合，提出了一种量子引力理论，并将其成功地应用于黑洞和早期宇宙的研究。如果将量子引力理论应用到宇宙爆胀的那段时间，就会发现今天的宇宙微波背景辐射场应该并非像理论上最初预期的那样是完全均匀的，它在有些区域会具有非常小的起伏，也就是说宇宙背景辐射存在微小的各向异性（不同方向、不同区域中背景辐射温度有差异）。要想证实这一结论，就需要对宇宙微波背景辐射进行更精确、全方位的测量。美国国家航空航天局1989年发射的“宇宙背景探险者”卫星的主要任务就是发现这种可能存在的各向异性。经过几年的努力，斯穆特（George Smoot）在1992年正式宣布“宇宙背景探险者”观测到了宇宙微波背景辐射场存在褶皱，而且结果与宇宙爆胀理论相符。斯穆特为此获得了2006年的诺贝尔物理学奖。2009年欧洲空间局和美国国家航空航天局合作，又发射了更先进的“普朗克巡天者”卫星，它的主要任务之一就是进一步精确探测宇宙背景辐射各向异性的特质，为这方面的科研工作注入了新的动力。
1702203900
1702203901
时至今日，宇宙微波背景辐射的研究—尤其是有关宇宙背景辐射各向异性的研究仍然是一个十分活跃的领域。这方面任何新的进展都极可能会引起对现有的大爆炸宇宙理论的重大修正。宇宙微波背景辐射的观测结果可以说是任何一种现有的或新提出的宇宙理论的试金石。
1702203902
1702203903
1702203904
1702203905
1702203906
三汤对话 [:1702202833]
1702203907
三汤对话 中微子趣史
1702203908
1702203909
中微子是一种不带电、质量近于零的基本粒子，属于基本粒子大家庭中的轻子一族。中微子自打一出现就充满了戏剧性，其魅力经八十余年而不衰。在近代物理学中，可以说是故事最多的一种基本粒子。
1702203910
1702203911
1702203912
1702203913
1702203914
泡利
1702203915
1702203916
泡利被尊为中微子之父。此人在物理学界是出了名的坏脾气，经常先入为主，总以否定别人为己任。讲起话来很不客气，常常让人下不来台。物理圈里流传着不少有关泡利“恶行”的故事。一个挺典型的实例发生在1954年，那年杨振宁和米尔斯提出了在近代物理理论中具有举足轻重地位的杨—米尔斯规范场理论，由于该理论当时还有一个关键的问题没有解决—具有规范不变性的矢量玻色子其质量只能为0，绝大多数人都以为它没有多少物理意义。同年2月杨振宁在普林斯顿高等研究所就杨—米尔斯理论做报告，还没讲两句，泡利就明知故问“矢量玻色子的质量是什么？”杨振宁知道这个问题是个陷阱，无论怎样回答都会引起进一步的麻烦。于是选择了最低调的应对，答曰“我不知道”。换作任何其他人，大概就到此为止了，泡利却不肯罢休，说“这不足以作为挡箭牌”。场面立时变得十分尴尬，杨振宁觉得报告无法继续进行，干脆坐了下来。最后还是原子弹之父、时任高等研究所所长的奥本海默站出来打圆场，杨振宁才得以将报告作完。泡利为人处世的风格由此可见一斑。不过他的物理直觉极佳，虽然有点怀疑一切，在大多数时候事实却往往最终证明他是对的。
1702203917
1702203918
1930年，核物理领域发生过一次严重的危机。在β衰变（原子核里的中子释放出一个电子而变成带正电的质子）的过程中，似乎有一部分能量莫名其妙地“消失”了。当时甚至连量子理论创始人玻尔都认为在β衰变中能量可能不守恒（为此他被泡利不客气地称为驴子）。然而泡利却坚信能量守恒原理是放之四海而皆准的普遍真理，所谓能量“消失”不过是因为β衰变中还存在一个无法探测到的第三者。他在一封1930年12月4日给莉泽·迈特纳（Lise Meitner，1878—1968）的信中第一次明确指出了中微子的存在—中微子从此在理论上诞生了。泡利在预言中微子存在的同时，也认识到中微子与其他物质之间的相互作用是极其微弱的。他甚至不排除永远无法探测到中微子的可能性。这不光是泡利一人的看法，很多大物理学家，例如贝特（Hans Bethe，1906—2005，获1967年诺贝尔物理学奖）等人，经过估算后都相信“中微子显然无法被看到”。所以中微子那时亦被称为“鬼粒子”。
1702203919