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        追尋宇宙的曙光

        2014-03-04 09:01:21冉浩
        飛碟探索 2014年1期
        關(guān)鍵詞:玻色子氫原子格斯

        冉浩

        1

        宇宙到現(xiàn)在為止可能已經(jīng)有137億年的歷史了。按照現(xiàn)在的主流觀點(diǎn),宇宙很可能是在一次爆炸中產(chǎn)生的,在爆炸中,產(chǎn)生了物質(zhì)、時(shí)空以及法則。灼熱的宇宙在膨脹中漸漸冷卻,形成了今天的宇宙。但是,宇宙形成之初經(jīng)歷了哪些細(xì)節(jié)我們卻不清楚,而這正是科學(xué)家極力探尋的。

        曾經(jīng)的故事

        嚴(yán)格來(lái)講,我們所看到的星空并非現(xiàn)在的星空,這是一個(gè)假象,因?yàn)檫b遠(yuǎn)空間的光到達(dá)我們的眼睛需要時(shí)間,我們看到的是很久以前的宇宙。每秒30萬(wàn)千米是光的速度,而且很可能是虛空中所有平行宇宙的極限速度。光從太陽(yáng)到達(dá)地球,需要約8分鐘,我們此刻所看到的其實(shí)是8分鐘之前的太陽(yáng)。同樣,當(dāng)我們遙望太空時(shí),望得越遠(yuǎn),看到的景象就越古老,可以看到遠(yuǎn)古星系的形成、發(fā)展。

        現(xiàn)在,我們已經(jīng)能看到130億年前的景象,然而,在宇宙大約50萬(wàn)到10億歲這個(gè)年齡段,我們遇到的卻是一片濃得化不開(kāi)的黑暗。

        在130億年前甚至更早的時(shí)候,宇宙中應(yīng)該存在著物質(zhì),為什么我們看不到?那時(shí)候發(fā)生了什么事情?

        地球是宇宙已知物質(zhì)中一種極特殊的狀態(tài),宇宙中絕大多數(shù)已知物質(zhì)都處于一種等離子態(tài),這是除固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)之外的物質(zhì)第四態(tài)。太陽(yáng)本身就是一個(gè)灼熱的等離子體,宇宙空間中的介質(zhì)也是等離子態(tài)。

        等離子態(tài)存在的時(shí)間能夠追溯到宇宙爆炸之初。按照物理學(xué)家的推測(cè),在宇宙大爆炸之初,所有的基本粒子都以光速運(yùn)動(dòng)著,那時(shí)沒(méi)有原子更沒(méi)有分子。這些基本粒子中有兩類,一類是玻色子,另一類是費(fèi)米子。前者成為我們今天所說(shuō)的各種力,即引力、電磁力、弱相互作用力和強(qiáng)相互作用力的媒介,后者如電子、夸克等則構(gòu)成了我們現(xiàn)在世界的基石。

        隨著宇宙的冷卻,一種被稱為希格斯玻色子的基本粒子凍結(jié)形成了均勻的結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)阻礙了費(fèi)米子的運(yùn)動(dòng),使其減速,然后具備了質(zhì)量,而玻色子則不受影響。這個(gè)說(shuō)法顯然讓很多人摸不著頭腦。為此,英國(guó)科學(xué)界征集可以讓人們理解這件事的比喻,于是有了這樣的說(shuō)法:有一間屋子,政客們均勻地分布在里面,當(dāng)一個(gè)普通人經(jīng)過(guò)時(shí),沒(méi)人關(guān)注他,他沒(méi)有任何阻礙地通過(guò)了;可當(dāng)首相到來(lái)時(shí),這些政客則因?yàn)楦鞣N原因圍攏過(guò)來(lái),聚集在首相周圍,使首相不得不減速,甚至停下來(lái)……

        正是這些慢下來(lái)的費(fèi)米子逐漸組合在一起,形成中子、質(zhì)子直至原子和我們所熟知的物體。如果將空間中的希格斯玻色子撤除,我們身上的電子等粒子就會(huì)立刻以光速飛出——這顯然不是我們想看到的場(chǎng)面。希格斯玻色子因?yàn)槭俏镔|(zhì)構(gòu)成的基礎(chǔ)而被稱為“上帝的粒子”。2013年,歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)確認(rèn)了這種粒子的存在,基本確認(rèn)了之前科學(xué)家對(duì)宇宙歷史的猜想,證明希格斯玻色子部分構(gòu)成了我們所說(shuō)的重力場(chǎng)。2013年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就頒給了在理論上預(yù)言希格斯玻色子的科學(xué)家。

        宇宙在大約50萬(wàn)歲的時(shí)候,已經(jīng)冷卻得不能再維持等離子態(tài)了,速度變慢的粒子凝聚形成了氫、氦等簡(jiǎn)單原子,宇宙變得中性了。但是,今天的宇宙卻是電離態(tài)的,這說(shuō)明曾經(jīng)有一個(gè)契機(jī)使宇宙再次發(fā)生了電離。只是這個(gè)轉(zhuǎn)變發(fā)生時(shí),宇宙正被黑暗掩蓋,我們什么都看不見(jiàn)。

        希望,21厘米

        科學(xué)家給出了一個(gè)推測(cè):在引力作用下,氫、氦等原子聚合形成了超級(jí)大質(zhì)量的天體,它們也許是恒星,也許是黑洞,但是,這個(gè)時(shí)候很可能還沒(méi)有星系。這些天體因?yàn)橘|(zhì)量巨大,啟動(dòng)了熱核反應(yīng),轉(zhuǎn)化成等離子體,它們的射線使附近區(qū)域的介質(zhì)電離。宇宙中接二連三地出現(xiàn)這樣的天體,就像夜幕降臨后逐漸亮起的一盞盞明燈。電離化的區(qū)域逐漸擴(kuò)大,連成一片……可是,無(wú)盡的氫原子等介質(zhì)吸收了這些天體發(fā)出的光亮,黑暗使我們無(wú)法看到當(dāng)時(shí)的景象。

        不過(guò),也并非一絲希望都沒(méi)有,因?yàn)闅湓颖旧硪彩强梢园l(fā)光的。氫原子有兩個(gè)能量狀態(tài),當(dāng)它由高能狀態(tài)躍遷至低能狀態(tài)時(shí)就會(huì)發(fā)出一個(gè)光子,這個(gè)光子的波長(zhǎng)是21厘米。當(dāng)氫原子大量吸收其他光時(shí),自身就會(huì)釋放出這種光子,當(dāng)時(shí)的宇宙很可能是被這種特殊的光“照亮”的,這是宇宙的黎明。如果我們能夠探測(cè)到這些21厘米波長(zhǎng)的光,我們就有希望“看到”當(dāng)年宇宙黎明的景象。不過(guò),要探測(cè)到這種光難度很大,因?yàn)樗鼈兊竭_(dá)地球時(shí)已經(jīng)極為微弱,而且能量已經(jīng)衰減到米級(jí)波長(zhǎng)——這正是廣播電視占用的波段,要想從宇宙輻射以及漫天的節(jié)目信號(hào)中將它們分離出來(lái),是多么困難!

        要找到它們,龐大的搜索設(shè)備和強(qiáng)大的計(jì)算能力是必需的,為此,世界多個(gè)天文臺(tái)建立了專門的射電望遠(yuǎn)鏡天線陣。目前,已經(jīng)運(yùn)行的項(xiàng)目有許多,中國(guó)國(guó)家天文臺(tái)的21CMA項(xiàng)目也致力此事。為了避免電磁污染的干擾,21CMA項(xiàng)目的設(shè)備安裝在新疆天山深處人跡罕至的地方。

        科學(xué)家開(kāi)發(fā)了眾多數(shù)據(jù)處理方法處理探測(cè)項(xiàng)目中每小時(shí)TB級(jí)的海量數(shù)據(jù),可是至今仍沒(méi)有哪個(gè)國(guó)家的科學(xué)家取得突破性進(jìn)展。不過(guò),也并非全無(wú)收獲,比如,科學(xué)家發(fā)現(xiàn),對(duì)21厘米光子的探測(cè),有希望計(jì)算出宇宙最初物質(zhì)擾動(dòng)、中微子質(zhì)量等的大致范圍,也能研究暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)。

        2013年,美國(guó)的團(tuán)隊(duì)取得了一些突破,他們沒(méi)有直接在茫茫宇宙中尋找21厘米光,而是將關(guān)注點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)了存在于各個(gè)星系中央的超級(jí)黑洞。這些超級(jí)黑洞在吞噬物質(zhì)的時(shí)候會(huì)發(fā)出輻射,由于銀河外星系背景光的存在,這些超級(jí)黑洞看起來(lái)會(huì)更“暗”一點(diǎn),或者說(shuō)它們?cè)谕h(yuǎn)鏡上的成像被背景光干擾了那么一點(diǎn)。以此為突破口,他們計(jì)算出了河外星系背景光的情況。他們堅(jiān)信,21厘米光一定會(huì)混在來(lái)自河外星系的背景光中,下一步的任務(wù)就是將這些光從其中分離出來(lái),雖然這看起來(lái)困難重重。

        未來(lái)接替哈勃望遠(yuǎn)鏡的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡也有望成為完成這一任務(wù)的巨大助力,不過(guò)這要等到它2018年開(kāi)始服役的時(shí)候。盡管前途可能很艱辛,但所有的科學(xué)家都滿懷信心,21CMA項(xiàng)目的主持人、天體物理學(xué)家武向平院士更是表示:“再過(guò)5年的時(shí)間,宇宙的‘第一縷曙光一定會(huì)被看到,不是我們就是別人?!?/p>

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