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物理系校友史丹佛大學郭兆林教授4月2日返校演講

主辦:國立臺灣大學
講題:大霹靂的回音
講者:史丹佛大學郭兆林教授

今年美東時間3月17日中午,BICEP2研究團隊在美國哈佛-史密松尼恩天文物理中心召開記者會,宣布偵測到來自宇宙暴脹(Cosmic Inflation)的直接證據。郭兆林教授以及該計畫的其它領導人在記者會上展示了史上第一個由重力波所遺留下來的影像,被喻為大霹靂之初所留下來的震波。該項重大發現同時也對近代物理的兩大領域量子力學及廣義相對論,提供了彼此相互關聯的強力證據。

暴脹理論一般公認最早是由Guth和Linde於七零年代末期提出,而此次BICEP2觀測研究計畫的四位領導人為Kovac、Pryke、Bock以及郭兆林教授。其中,郭教授為唯一的臺灣籍人士,位在南極的BICEP2計畫中,郭教授主要負責設計偵測器,配合超導系統能夠偵測到來自宇宙初生時大約只有千萬分之一度C變化的微弱訊號,稱為宇宙微波背景的原生B模偏振,那是在宇宙初生不到一兆兆兆分之一秒時因暴脹(一種宇宙加速膨脹的過程)所產生之重力波所遺留下來的訊號,因此該偵測器對於整體望遠鏡的運作而言其重要性就如同人的心臟一般。

國際上的類似計畫有十多個,BICEP2的首次成功不但讓人類在建構宇宙演化藍圖的觀測驗證中得以補上一大塊遺漏的拼圖,並且為重力波的找尋提供了有史以來唯一的證據,讓相對論、量子論、以及二者的關聯性等驗證得以更加完備。

郭兆林教授1994年及1996年在臺大物理系獲得學士與碩士學位,2003年在加州大學柏克萊分校獲得物理博士學位,目前任職史丹佛大學。103年4月2日郭教授於臺大物理暨凝態館204室國際會議廳舉辦一場科普演講,並於演講結束接受專訪。現場國際會議廳走道擠滿同學之外,物理系開放4間大教室同步轉播提供無法進入會場的師生聆聽演講實況。計算機中心亦協助全程現場網路直播,備受矚目。為嘉惠未能親臨現場的觀眾,本期臺大校訊刊載全程口譯演講內容如下。

物理系暨天文物理研究所吳俊輝教授:郭兆林教授1994年臺大物理系畢業,1996年在已故袁旂教授指導下,於臺大物理研究所獲得碩士學位,當完兵就到美國加州大學柏克萊分校(UC Berkeley),2003 年獲得博士學位。畢業後先後到南加州噴射推進實驗室(JPL)以及加州理工學院(Caltech)任職研究員,2008年進入史丹佛大學任教至今。近年來郭教授獲得幾項非常特殊,不易獲得的獎項和榮譽,一個是Sloan Research Fellowship,以及National Science Foundation(NSF) 的Faculty Early Career Development Award。接下來就讓郭教授帶領我們一起聆聽大霹靂的回音。

郭兆林教授:一開始很多人告訴我宇宙的起源Big Bang 應該翻譯成大霹靂,因為你需要一個比較特別的字。大爆炸太普遍了,但是最近有人告訴我這像是布袋戲的節目,我想以後會改回大爆炸。

很多人覺得這個發現是一個大新聞,我想真正的大新聞並不是某某人有什麼成就,某某人要得什麼獎;真正的大新聞是人類竟然可以用科學的方法,知道這個宇宙裡的所有東西是怎麼來的,這才是真正的大新聞。

科學方法的優勢

人類一直想知道宇宙是怎麼來的。在哲學上在宗教上都各有各的理論,重點在於科學方法。科學方法有一個精密的數學模型,能做出精確的預測,然後去檢驗他,看預測是不是對的。你可以用盤古開天闢地或是各種的理論,但是據我所知,並沒有一個哲學或是宗教上的理論,可以預測重力波背景。只有科學有這樣的預測。我們去尋找重力波,現在看起來真的找到了,這是非常驚人的一件事情。

人家告訴我,你要先告訴聽眾重點是什麼。如我先前所說:我們知道宇宙是怎麼誕生,而且用可以檢驗的科學方法,非常嚴謹地來尋找答案;第二要告訴大家的是:為什麼要這個答案。在交代完這兩件事情之後,再談論我們到底找到了什麼,怎麼去找它。

看看地球的四周,你會覺得它像是汪洋中的一條船,附近什麼都沒有。我們現在已經發現,有兩種方法可以讓它沉掉:一個是核子大戰,一個是全球暖化。我們看看附近就知道沒有人可以來救我們,這就是為什麼要學天文學:看看有沒有可以來救我們的其他人或外星人。你會發現宇宙是一個非常空曠的地方,如果我們把船弄沉了,絕對不會有人來救我們。這非常實用,每個人都應該記得的一件事情:弄沉了就完了。

你問,我們在船上有食物有飲水,可以過很好的生活。但是人不會只安於生存,我們會問,附近有沒有其它船呢?我們的船是哪來的?船最後會發生什麼事情?這一片汪洋最後會發生什麼事情?

這就是為什麼要學天文學,為什麼要學宇宙學,為什麼要去找外星人的原因。這是一個非常簡單,每個人都會問,都會想的問題。接下來就要開始談我們怎麼樣做這個研究,首先你要知道這個宇宙長的是什麼樣子。

膨脹中的宇宙

對一般的高中生、大學生,最主要的一個觀念是:宇宙是非常大的。比起光,以光速移動的距離還要大很多,要記得我們看到越遠的東西就越古老,這是最重要的觀念。你現在看到的是1.3 秒以前的月亮,已經不是現在的月亮了。現在看到的是8分鐘前的太陽,因為光從太陽走到地球需要8 分鐘。你看到的北極星是400 多年前的北極星,你看到的仙女座大星雲是300多萬年前的仙女座大星雲,當這個光發出來的時候,人基本上還是猿猴。越遠的東西就越古老,你一直往前,最最最古老的一張光學照片,是哈伯太空望遠鏡所照的,叫做哈伯深場。是一張看得很清楚,很遠很遠的星系照片,那是百億年前所發出來的光,我們現在才看到它。這些光跑了百億年,哈伯太空望遠鏡是十年前建造的,完成後剛好看到他,這也是巧合。

哈伯深場看到的每一個點,都不是我們銀河系的星星,是我們銀河系以外的星系。這些很小的光點,每一個光點都會演化成像我們的銀河系一樣,有幾千億個恆星。宇宙是一個非常大的地方,就算我們以後可以找到外星人,也只能在我們的本銀河系找到。那只是一個銀河系,有多少個銀河系?這是光學望遠鏡可以看到的宇宙邊緣。就我剛才所介紹的光速有限以及宇宙龐大的觀念,這張照片就已經是宇宙的邊緣了。

我們從小就在想宇宙有沒有邊,現在有一個確切的答案。小時候我以為絕對不可能有人找到這個答案,這個答案太難了,現在這張照片就是答案。這不是空間的邊,這是時間的邊,因為在這個之前的宇宙根本就不存在,他已經古老到比宇宙的年齡還老。我剛才說我們現在看到的是1.3 秒以前的月亮,現在看到的是8分鐘前的太陽極致。你看到時間的邊緣,再往前看宇宙根本還沒誕生。

你會問:如果一直看下去,到底會看到什麼?星系的中間是什麼東西,到底長得什麼樣子?要解釋這個問題,就要了解宇宙擴張的概念。這並不是天文學家發明的東西,天文學家只是拿出望遠鏡往天上看,就看到這個東西。我教天文學,對史丹佛大學哲學系或經濟系的同學說:「你只要記得一件事情就好:這些東西不是我們發明的。聽起來很玄,但是我保證沒有騙你,你只要記得這件事情就可以了。」

「宇宙擴張」聽起來很玄,連公車司機都會問:如果宇宙在擴張的話,會擴張到哪裡去,從哪裡開始擴張?彷彿是我們亂編編出這個東西。事實上你只要看照片裡的星系,去量它們的速度,就會發現它們通通往太陽、地球遠離,這是一個觀測到的事實。測量距離與速度的關係,就會發現離我越遠的東西,遠離我們的速度就越大。這是一位天文學家哈伯發現的現象。旁邊是愛因斯坦的照片。他的模型解釋,宇宙像是一個空間,上面點綴了這些星系,這個空間本身在膨脹。我們的銀河系旁邊有一點的話,宇宙在膨脹的時候,它遠離我們的速度不會太大。但如果離得越遠,速度就會越大。

通常是把宇宙想像成一個膨脹中的氣球,上面的點就是各個銀河系。銀河系旁邊一點遠離我們的速度不會太大,但是比較遠的這一點,因為中間有很多空間的關係,相離速度就越大。所以宇宙擴張這個概念可以想像成空間本身在擴張,上面這些點也就是銀河系,跟著空間的擴張一起跑。有了宇宙擴張的概念,另外一個概念就是壓縮氣體會發熱。大家應該都有這個經驗,對腳踏車的輪胎打氣,氣越打越飽,就會發現輪胎會發熱,這是很簡單的物理概念。這樣子推出來的概念,就是宇宙一開始比較小,處於一種壓縮態;所以宇宙早期是屬於高熱狀態。因為宇宙在擴張,往回推以前很小;你把同樣的氣體壓得很小,它就會發熱。所以早期宇宙是屬於一種高熱的狀態,熱到所有的原子通通游離。

宇宙微波背景

游離就是原子中的電子跑出來,整個物質就會帶電,結果就會像太陽表面一樣處於電漿狀態,對於光來說是不透明的。這層不透明的牆就是宇宙微波背景「CMB」 ,就是我過去十幾年來研究的主題。這個想法很簡單,看得越遠就是越早期的宇宙,越早之前的宇宙就越熱;最後就會碰到一面牆,所有的物質都游離了,變得不透明,往不同方向看都是一樣的結果。

宇宙微波背景可以用電磁波,用光子的方法來看宇宙最早的模樣。再往前,就什麼都看不到,因為再往前所有東西屬於游離態,並且是不透明的。宇宙微波背景環繞全天空的火牆,往每個方向都是看到同樣的東西。1965年兩位貝爾實驗室的天文學家發現,他們把微波望遠鏡往天上看的時候,發現各個方向都有同樣的輻射。一開始他們以為是儀器的雜訊,或是天線裡有鴿子糞便所造成的干擾。但是後來他們排除這些可能後,發現天上就是有同樣的雜訊,不管你往哪邊看,都是同樣的強度。這是當時1960年代證實大爆炸理論最強的證據。為什麼呢,因為越早的宇宙越熱,熱到發出熱輻射。這層火牆上面帶有很多訊號,是什麼訊號?

第一點,它完全是屬於熱輻射,熱輻射的解釋就是:因為它是由壓縮所發的熱。

第二點,火牆上很均勻的溫度分布上面,有一些溫度的起伏。溫度起伏是怎麼來的,會造成什麼現象?

過去20年物理學家對於宇宙的組成與歷史等研究,就是靠研究這上面的溫度起伏,已經有非常透徹的了解。物理在自然科學中屬於非常精密的科學,百分之十的精密度是不夠的,百分之五也不夠,百分之一甚至都還不夠。若能徹底了解一個現象,應該可以預測它的值到百分之0.0001。我們對於宇宙的了解,已經幾乎到了這個程度,已經到了比百分之一還要清楚的程度。現在根據物理定律已經知道非常清楚。給定一個宇宙在誕生之後0.001秒的初始條件的話,用我們的物理定律,就會演化成我們現在的宇宙,這聽起來非常驚人。先給定初始條件,在重力的運作下,會造成星系,星系的演化會發出輻射,形成恆星,形成行星,最後變成我們現在看到的宇宙。從宇宙在誕生之後0.001秒到現在的宇宙,已經基本上了解得非常透徹,當然還有其他小的問題,但是並沒有非常非常大的問題。

毫秒內的秘密

我本身的研究和其他很多此領域研究,探究宇宙誕生之後0.001秒之前,也就是從宇宙誕生的瞬間到誕生後一個毫秒到底發生什麼事,能造就這樣子的一個初始條件。我們一直往前推推推推推,推到頂端。這可以說是考古學的極致,就是最最最古老的東西。若你對考古學有興趣,應該可以了解為什麼我們要研究宇宙學。

宇宙演化的方式,一開始誕生的時候,有一些密度起伏。這個地方密度高一點,那個地方密度低一點,密度高的地方因為重力比較強,會再搶更多的物質過來,最後形成一個星系,這叫做重力的不穩定;因為重力只有吸引力,沒有排斥力。在重力的吸引之下,一開始鬆散的結構會一直增長,然後形成我們現在看到的星系。我們現在看到的這些星系、結構,都是由一個一開始很小的密度起伏而形成。而且跑電腦模擬,只要丟進去正確的初始條件,像芝加哥大學做的電腦模擬,讓它靠著重力定理演化,就會發現一開始物質比較多的區域,會吸引更多的物質,最後形成各種星系結構。

模擬的過程中宇宙在膨脹,物質會因為膨脹彼此離得越來越遠,模擬只是讓你們看到結構怎麼產生。事實上高密度區域一邊吸聚物質形成結構,一邊整個尺度還是在擴張當中。拿電腦模擬所形成的星系結構,跟觀測到的星系結構相比,你猜不出哪一個是模擬,那一個是真正的觀測結果──現在宇宙學家對於宇宙結構的了解是非常驚人的。

很多人說有許多科學不能了解的事情,但是每當我演講,或是碰到哲學系、文學系的學生,告訴他們我們非常非常了解宇宙,我們不了解的東西其實是非常非常小的部分。這並不是我編的,科學家所知道的東西真的非常多。但是如果你單純認為我們還是有很多事情不知道,所以要相信超能力,我最主要的訊息是:我們了解的東西其實已經非常多了,不了解的東西越來越少。

一開始的這些密度起伏是怎麼來的呢?如果一開始沒有這邊多一點,那邊少一點,在重力的作用下宇宙還是處於均勻平滑的狀態。一開始沒有這些種子,後來還是處於均勻平滑的狀態。一開始的起伏很小,比百分之0.01還小,但是必須要有它,為什麼?因為重力凝聚形成星系、行星還有我們現在看到所有東西的初始種子,如果沒有這個種子的話,就不會有我們現在看到的這些東西。這個宇宙就是很均勻的氫原子。

另外一點,到底是誰把這個初始的密度起伏放進去的,它到底是怎麼來的?我們相信它跟量子力學有關係。你如果可以瞭解這個東西怎麼來的,就可以了解在宇宙誕生的一個毫秒之內到底發生了什麼事情。這兩個很重要的原因,讓我們想要仔細研究。這些初始密度起伏最清楚之處不是在星系裡面看到的,而是在先前所說的宇宙微波背景CMB 上面那些微小的溫度起伏;因為那是最早最早的光,可以直接看到這些密度起伏。這些密度起伏很小,但是很清楚,我們用現在的儀器很容易可以觀測到,不過它在1992年才首度被發現。

物理學家做的事情,通常就是量天上各個方向的溫度製成一張溫度圖,然後製作類似音響等化器的分析,大尺度的東西放一邊,小尺度的東西放一邊。大家應該知道音響等化器,就是低音、高音各有多少成分,這張分析圖就像是這個樣子,叫做角頻譜。像這裡一大塊藍色的區域,它就會出現在左邊,這些小小的點,就會出現在右邊。

這樣一張圖告訴你,它在某個尺度大約一度的地方有很多結構,尺度再小的結構就很少了。現在所看到的這張頻譜並不是我們的研究,是普朗克人造衛星計畫的結果,上面的紅點是實驗的結果,綠線是理論的計算,是很簡單很簡單的物理理論,是電磁學,熱力學,一些統計學的計算,沒有很複雜的物理理論,可以看到觀測結果是完完全全相符的。

這也一樣是我要強調的。只要一開始給定的初始條件對的話,宇宙後來發生的事情就和我們預測的一樣,這個東西一樣是編不出來的。這張圖要告訴你最重要的訊息,就是我們對於宇宙了解的程度有多少,非常驚人。照片這兩位是2006年諾貝爾獎得主,他們第一位找到宇宙微波背景上面有溫度起伏,另外一位發現是宇宙微波背景像一個熱輻射。

但是還是有我們不了解的事情,就是宇宙大爆炸初始的推力是怎麼來的;也就是在一個毫秒之內到底發生什麼事情,才會把東西往外推。還有初始密度起伏又是怎麼來的。假設一個密度起伏的形式,可以計算出吻合的結果,但是它並沒有告訴你這個初始密度起伏到底是誰丟進去的。要回答這兩個問題,就要提到暴脹理論。

暴脹理論與重力波

大爆炸和暴脹理論是不一樣的,暴脹理論要解釋的是宇宙誕生那一瞬間發生的事情,而我們觀測到宇宙微波背景,就可以知道宇宙過去是處於高溫高壓的狀態,可以說已經證明大爆炸理論。暴脹理論一般歸功於兩位理論學家在1979年前後提出的理論。一開始由Alan Guth 所提出,後來他發現他的暴脹理論沒有辦法結束,會一直持續暴脹下去,不會形成我們現在看到宇宙的樣子。後來Andrei Linde提出了正確的模型,能夠讓暴脹結束,形成我們現在看到宇宙的樣子。所以通常暴脹理論歸功這兩位理論學家。

我剛才講到宇宙微波背景是最早的光,但是要研究暴脹本身的話,它還不夠早。因為它是一面牆,是高熱不透明,像太陽表面一樣的火牆,等於把宇宙早期光的訊息都擋住了。宇宙微波背景的光,距離宇宙誕生已經40萬年,光靠宇宙微波背景,沒有辦法了解宇宙誕生一瞬間發生的暴脹本身。所以我們就透過另外一種媒介,叫做重力波。

重力波最早是愛因斯坦提出來的,重力波和物質的交互作用非常微弱,因此不管當初的密度再高,再不透明,重力波還是可以完全穿過它。也就是說在暴脹產生的重力波,可以穿過高溫高壓高密度的物質,被我們偵測到。我們很難直接偵測到重力波,實驗的方法是尋找重力波在宇宙微波背景,也就是那面火牆所留下來的印記,藉此推出是來自於暴脹時期所發出的重力波,這是我們基本策略。

重力波可以讓我們看得越早越遠,越早就是越遠。那暴脹到底是怎麼回事呢,這是30幾年前提出來的理論,這個地方就有點難了。最簡單的想法是,我們看到的宇宙在大尺度到處都是很均勻的,但是宇宙的年齡有限,光速有限,怎麼讓這麼大尺度上到處都很均勻?地平線Horizon定義是光速乘上宇宙的年齡,在地平線之外的東西完全看不到,地平線是我們最遠能交換訊息的極限,在這個距離之外的東西,不可能跟它有任何訊息交換。宇宙誕生至今,還沒有足夠的時間讓訊息在這兩個區域之間交換,因為光速是有限的。但是我們現在發現,在地平線之外的東西,長得還是跟我們地平線之內的一樣,這叫做地平線問題。

暴脹理論怎麼解決地平線問題?就是把這些星系在時空座標圖中的軌跡,那些原本在地平線外的東西,在宇宙早期的時候押回地平線以下。在早期宇宙,這些東西必須經歷非常快的膨脹。當你做到這一點就可以保證,因為以前所有東西都有時間來混合,讓大家長得一樣,再透過暴脹這個過程,把這些東西分布到地平線以外,是一個超光速的分布過程。最後當暴脹結束,經過一段時間,這些東西會再回到地平線以內,現在你就會看到原本在地平線以外的宇宙,和地平線以內的宇宙長得一樣。暴脹是發生在宇宙誕生後一兆兆兆分之一秒的時間內,宇宙從原子的大小變成太陽系的大小。

暴脹理論除了解決了地平線問題之外,還做了一件很重要的事情:它放入了起始的密度起伏,而且造成的密度起伏和我們看到的一樣。這是怎麼發生的?這又是一個很困難的觀念,你可能聽過量子力學的海森堡測不準原理:若在真空中有一個場,它的期望值不會是零,它會有零點能量,在真空的時候有量子起伏;暴脹這個場的量子起伏,會在暴脹過程中形成初始密度起伏。也就是說暴脹把量子力學和宇宙學連接在一起了。

只要有一個很簡單的暴脹過程,就可以把我們熟知的量子起伏,放大成現在人造衛星以及其他的實驗所看到的密度起伏,而且結果和暴脹理論所預期吻合到非常驚人的程度。當實驗最早觀測到密度起伏,許多人都認為這一定是暴脹所造成的,但是理論學家還是提出其他可能的模型可能可以解釋同樣的現象。

另外一點,如果重力場是量子化的話,重力場本身應該也會有真空量子起伏,暴脹就會把重力場的真空量子起伏用同樣的方式,造成一個重力波背景。我們相信BICEP2現在所看到的重力波背景,就是由暴脹的過程,把量子化重力的真空起伏,放大到宇宙尺度的重力波。

現在觀測到的重力波,不但是第一個重力波的影像,而且證實了暴脹理論,提供了很強的證據;其他可以產生初始密度起伏的理論,無法產生重力波背景。暴脹很容易就可以造成我們觀測到的重力波,而我們觀測到重力波的強度,又告訴我們暴脹發生在什麼能量尺度,這對於粒子物理學的研究也有很大的幫助。我們等於是看到另外一半的暴脹:其中一半形成密度起伏,密度起伏形成我們看到的銀河系等等,另外一半就會造成重力波。我們第一次偵測到重力波。如果太陽突然不見了,地球還是會繞著原來的軌道運轉,一直到8 分鐘後才發現太陽不見了。這個訊息就是重力波傳遞的。重力波有兩種不同的偏極,如果有一些質點圍成一圈,當重力波通過,會用兩種不同的方式拉扯質點偏離原來的位置。

重力波是愛因斯坦根據廣義相對論所預測的,牛頓力學裡沒有重力波。如果太陽突然不見了,地球會突然不知道該怎麼辦,因為訊息是瞬時的傳遞。但是廣義相對論告訴你這是不可能的,地球要經過8 分鐘才會知道。愛因斯坦在1916年從廣義相對論中發現有一種東西會以光速傳遞。然而1920年左右英國天文學家愛丁頓說愛因斯坦發現的重力波是假的。1936年愛因斯坦研究廣義相對論又認為重力波不存在,他開始相信愛丁頓的講法,並且寫了一篇paper 。但是期刊的審查員告訴他你算錯了,第二年愛因斯坦承認他不知道重力波到底存不存在。接下來20年間,物理學家爭論重力波到底存不存在。

深入重力波

這個問題為什麼這麼困難,不像馬克斯威爾方程式寫下來就知道電磁波的存在?這就像你在跑步機上跑步,到底算不算是在跑步一樣;愛丁頓發現愛因斯坦最早宣稱找到的重力波,只是座標轉換產生的波而已,並不是真的重力波,愛因斯坦後來就相信他了。因為其中牽涉複雜的數學計算,大多數人也弄不清楚。一直到1957年費曼用了一個很簡單的思考實驗,說服絕大多數的物理學家重力波真的存在。並不是真的觀測到重力波,而是存在廣義相對論裡面,並且以光速前進。經過了40年的掙扎,大家才真的想清楚是否真的有重力波。

從1975到1990年,天文學家發現中子星組成的雙星系統,在繞著質心運動的過程中會釋放出重力波,使得系統的能量變小,因此越繞越接近,越繞越快。天文學家發現繞行速度的變化速率,和預測因重力波輻射而喪失能量的速率是一樣的。所以在1990年大家相信已經間接觀測到重力波的存在。

原先大家以為,重力波在宇宙微波背景造成的現象和密度起伏一樣的。但是90年代末,有幾個理論學家發現,重力波會在宇宙微波背景偏極上面,造成非常確切的訊號,在這之前人們以為兩者無法區分。你們或許聽過另外一個尋找重力波的實驗,是用雷射干涉儀。這是一種直接測量重力波的方法,因為重力波會拉扯空間,使得兩道進行干涉的雷射光所走的距離發生變化,干涉的圖形就會產生變化。我再回到先前所說汪洋中的一條船,你可以用船來測水波的存在,這就是LIGO使用的方法。我們照一張照片,在照片中看到了重力波,我們看的是宇宙微波背景的偏極,這種圖形,只有重力波可以產生。

這幾位理論學家怎麼區分密度起伏和重力波呢?有攝影經驗的人都知道,天空是藍色的,這些光也是有偏極的。透過偏振片去看天空,會發現偏振片轉了90度天空會變得很黑,再轉90度又會回復,它偏極的程度非常大。天空的偏極是由於散射所造成的,和宇宙微波背景的散射不太一樣,但是非常類似。光子是電磁波,裡頭的電場讓空氣中的分子產生震動。偏極的方向一定垂直視線的方向,因此看整個天上的偏極,方向會是繞著太陽,屬於圓型的對稱,稱作為E-mode的偏極。這是密度起伏可以產生的偏極。

有攝影經驗的人知道,太陽所造成的偏極不會是螺旋型的。首先,應該是順時針還是逆時針螺旋?一顆太陽沒有辦法決定往哪個方向螺旋。第二,思考偏極的成因,便可推測形狀一定是左右對稱,不會轉成螺旋狀。觀測到螺旋狀偏極,便會感覺到疑點:什麼會造成螺旋狀的偏極?重力波可以造成這樣螺旋狀的偏極。一般的散射無法造成這樣的偏極,這就是我們說的B-mode偏極。因此找尋B-mode偏極,就可以找到重力波。

重力波的偏極有兩個方向,改變重力波偏極的方向就可以在宇宙微波背景產生E-mode、B-mode,而密度起伏只能在宇宙微波背景產生E-mode。這個偏極模式雖然特別,但是量值很小。偏極的測量,是用偏振片去量電場震盪方向互相垂直的光,計算彼此的強度有多大的差別。我們要找的訊號,兩個方向上強度的差別只有3000萬分之一,因此除了儀器要非常精準之外,我也要非常了解採用儀器,因為儀器所造成的偏極會遠大於觀測目標的值。

器材的研發

首先我們要得到必需的靈敏度。在地表上實驗偵測器的靈敏度已經沒有辦法再更好了,單一偵測器的靈敏度已經達到極限,唯一的辦法就是建造很多的偵測器。然而要建造很多的偵測器,就必須讓偵測器非常便宜。就像用真空管做收音機,又大又貴又耗電,慢慢進步到用電晶體做,再用積體電路做,讓它越來越小越便宜。我們也是用同樣的方法,讓一開始很複雜的偵測器,最後做得非常簡單,像積體電路一樣。宇宙微波背景積體電路偵測器有很多天線,我們收集垂直偏極和水平偏極後,送到偵測器計算彼此的差別。

偵測器本身是非常簡單的溫度計,從微天線來的宇宙微波背景通過電阻產生熱,偵測器溫度產生變化,大約在0.25K到0.25003K這個範圍。溫度計本身是由超導體所做的,只要溫度改變一點點,超導體的電阻就會改變很大,堪稱最靈敏的溫度計,只要溫度改變一點點就會有很強的訊號。我做了三年的電機工程,設計這些偵測器和微天線。現在大家看到的是我很喜歡的一張照片,這是顯微鏡所看到偵測器的細部結構。我們做了這個設計之後,接下來的8 年之間,我們做了上百個像這樣4 吋的矽晶圓,才能提供足夠的偵測器,量到如此微弱的訊號。

我們到南極來進行實驗,位置就在南極點。整個實驗由美國科學會的極地中心所贊助,我們把所有東西送到加州的一個港口,他們就會轉送到紐西蘭,再從紐西蘭送到南極邊緣的接收站,接著再送到南極點,都是由軍方提供的軍機來運送。這張圖是美國軍方的C17 運輸機降落在南極大陸的冰棚,降落之後我們搭乘特殊設計的車輛到達休息站。為什麼要到南極點?南極點是宇宙微波背景研究的聖地,海拔為3000公尺,非常非常冷,空氣中的水氣幾乎都凝結到地面上。水氣會吸收並放出微波,因此在南極點用微波波段看天空是非常清澈的。而且當地只有一個白天一個晚上,在晚上的時候,氣候非常穩定。美國科學會有非常完整的支援,我現在的研究生、博士後做實驗,整個計畫都在這裡。100 年前挪威的探險家首度抵達南極,一個月後英國的探險團隊也抵達南極點。這張圖是新的工作站,裡面有新的餐廳,我們有聖誕節、感恩節大餐。這張是幾年前落成的美國科學站,裡面有私人的房間,電話,私人的網路,非常完整的設施。張慶瑞老師問我南極最有趣的東西是什麼,我跟他說是幻日。空氣中的冰晶有各種不同的形狀,水滴是圓的都會造成虹、霓,像冰晶這麼複雜的形狀,圖像是不可想像的複雜。在網路上可以找到一張全天的圖,太陽在這裡會有各種奇怪的散射圖形,當日照強、風較小的時候所有的圖形都看得到,而且有不同的色彩,這個叫幻日現象。

這是我們工作環境,有非常完善的設施,在實驗室裡面穿短袖就可以了。我們一系列非常專注的實驗,我們第一個實驗叫BICEP1,第二個實驗叫BICEP2,第三個實驗不小心叫別的名字叫Keck,第四個實驗回歸BICEP3。BICEP1做掃描做了三年,BICEP2做這個動作也做了三年,現在看到各個影像是Keck,也在做同樣的動作。這張圖是積體電路的偵測器,因為有這樣的發展,我們可以大量製造偵測器,才能領先我們的競爭對手。

我們的光學設計非常簡單,因為重力波所產生的地方是像滿月這麼大,甚至更大的尺度,不需要很大的望遠鏡就可以看到它的結構。BICEP1、2、3以及Keck都長得很像,是一個很小的折射式望遠鏡,小到我可以把整個望遠鏡放在低溫環境裡面。BICEP1、2、Keck 口徑只有25cm,整個望遠鏡可以放在液態氦的冷卻器裡面,CCD 是冷卻到0.25K ,大約零下273 度左右,需要微波物理,微波工程,超導體,低溫物理;要知道如何找重力波,需要具備非常非常多物理與數學背景知識,才能做我們的計畫。

我們最後看到的就是這張圖,它的確出現我們剛才所說的旋轉圖形。這張圖是幾乎沒有雜訊。我們的訊造比大於5 ,是信心水準非常高的偵測。這張圖是我們和暴脹的發明人以及宇宙微波背景發現者的合照,24號刊登於紐約時報。我在結果發表的前一個禮拜拜訪了Linde 教授,他知道結果後非常高興,整個過程攝影記錄了下來放在youtube上,現在已經是Stanford 有史以來點閱率第二高的影片,僅次於Jobs 的畢業演講。

前幾年我看到這句話印象相當深刻:你是什麼樣的人不是由你的能力所定義,而是由你的選擇。聽起來像是卡謬會講的話,但是其實是鄧不利多講的。他活了800年,謝謝大家。

郭兆林教授自2008年起任職於史丹佛大學物理系及SLAC,和本校物理系暨天文物理所的吳俊輝教授在宇宙學研究上有長期的合作關係,預定於今年四月至六月間至本校擔任吳教授的訪問學者。

※演講實況影音:https://www.youtube.com/user/ntufocus

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