2014 十一月號
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第108期電子報  出刊日期:10301117


科學新文摘

 

重力波照亮量子重力之路

最近關於早期宇宙重力波的發現若經確認無誤,將讓我們得以一探重力與量子力學之間的關聯,或許還能證實其他宇宙的存在。

撰文/克勞斯(Lawrence M. Krauss)
翻譯/李沃龍

重點提要
■今年3月科學家宣佈,他們發現了極早期宇宙所發出的重力波。
■如果這項發現確認無誤,研究人員將得以檢視時間的起點,可能找到一個統合量子力學與重力的方法。
■這項發現可能提供間接證據,來證實多重宇宙(像無限多泡泡般連結卻實際彼此分離的宇宙)的存在。

今年3月,操作南極微波望遠鏡實驗的一個科學團隊,公佈了一項震驚科學界的發現,宣稱觀測到宇宙幾乎在時間起點就已發出的訊號。這推定的訊號深埋在極早期宇宙(在大霹靂後僅一兆兆兆......分之一秒)重力波所遺留的輻射裡。 

這項觀測若確證為真,將會是數十年來最重要的科學發現之一。這將讓我們得以測試迄今科學家提出關於宇宙起源的那些概念,也將幫助我們連結解釋次原子世界的最佳理論和描述宏觀宇宙的最佳理論(基於愛因斯坦的廣義相對論),甚至可能提供強力(雖然間接)的證據,證明其他宇宙的存在。 

自消息宣佈以來,就有其他科學家質疑此訊號是否正確無誤。他們的懷疑促進了其他能夠確證或否定此宣稱的實驗觀測,大多數的實驗在明年就可以完成。雖然仍不確定是否已觀測到來自極早期宇宙的指標訊號,但我們不需等待太久就能夠知道答案。目前此刻,我們對宇宙的探索懷有極高的期待。 

通往暴脹之路

我們究竟如何來到此戲劇性的時刻?一切起始於兩項關於早期宇宙的矛盾,而此指標訊號(如果正確)或許可幫忙解決這兩項矛盾。 

第一項矛盾和宇宙的大尺度幾何性質有關。自138億年前大霹靂形成宇宙之後,它便不斷膨脹、擴張。即使在如此長期的擴張後,宇宙仍保持近乎完美的平坦。大多數人向來認為我們居住於一個平坦的三維宇宙裡,平均而言,光在宇宙中以直線行進。 

麻煩的是,廣義相對論認為平坦的宇宙並非必然之事,實際上,這是一個特殊而稀奇的結果。就像宇宙歷史上大多數時期所顯示的那樣,當物質或輻射是宇宙主要的能量型態時,些微不平坦的宇宙就會在膨脹過程中迅速偏離平坦宇宙的特性。如果宇宙曾有些許偏離,今日看來便會是個開放宇宙(空間彎曲如馬鞍狀),或是個封閉宇宙(空間彎曲如球面一般)。若宇宙今日仍要保持平坦,則早期的特性必得經過離譜且不可思議的「精調」(fine-tuned)才行。 

第二項矛盾和宇宙大尺度結構從各方向上看來都一樣有關,這奇特的現象指出宇宙的均向性。然而,從廣大的可觀測宇宙一端所發出的光,直到最近才能夠抵達另一端。這麼寬闊的距離,代表了宇宙先前相距遙遠的各區域無法互通訊息(物理學家稱它們並無任何「因果接觸」)。那麼,各區域怎麼能夠演變成如此相似? 

1980年,有位名叫古斯(Alan Guth)的年輕物理學者,在思考這些矛盾時忽然想到了解答:基於粒子物理的概念,他猜測宇宙在誕生後可能隨即像氣球般迅速膨脹。古斯因思索粒子物理標準模型中稱為自發失稱(spontaneous symmetry breaking)的核心理論,而想出這個稱做「暴脹」(inflation)的概念。自發失稱描述原本統合的作用力在分開後將會發生什麼事情。 

目前的證據顯示,宇宙至少發生過一次自發失稱事件。根據電弱理論,現今宇宙看來並不相似的兩種基本作用力——電磁力(電與磁的作用力)與弱核力(導致原子核放射性衰變的作用力),全是因為宇宙歷史的一次意外所導致。它們曾經是單一作用力。 

隨著宇宙冷卻,在大霹靂後約一兆分之一秒時,宇宙經歷了一次相變(類似水從液態轉變成固態),改變了虛無空間的特性。空間不再虛無一物,而瀰漫著一種背景場(某種類似電場的場,但在此狀況下,並不易偵測到該背景場)。這稱為希格斯場的背景場,遍佈整個宇宙。 

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2014年第153期11月號】


活動訊息_圖示

人類第一次!耗費20年 歐洲今登陸彗星


【聯合報╱編譯陳世欽/報導】2014.11.12 03:43 am
 
歐洲太空總署發布的合成照片,「羅塞塔號」太空船在彗星旁,準備釋出「費利號」探測器登陸彗星。 美聯社

歐洲太空總署(ESA)的「羅塞塔號」太空船將於十二日釋出「費利號」無人太空探測器。如果一切順利,重一百公斤的「費利號」將降落在距離地球五億一千萬公里的67P/楚里烏莫夫-傑拉希曼科彗星的表面並以魚叉固定,從事多項實驗,以探索太陽系與地球生命的起源。

ESA十日表示:「羅塞塔號太空船狀態完美。目標已經鎖定!」此一登陸彗星表面的創舉費時廿年準備,耗資十三億歐元(約台幣五百億元),登陸過程充滿許多危險的不確定因素。

「費利號」已附隨「羅塞塔號」旅行太陽系十年,總旅程超過六十億公里,其間有九百五十七天處於休眠狀態。

在對「費利號」下達脫離「羅塞塔號」的最後指令前,德國達姆施塔特的任務控制人員須評估四次。如果順利,預定台北時間十二日下午五時零三分收到兩者順利分離的訊息。ESA飛行經理羅迪奧表示:「那將是相當神奇的剎那。」

此後七小時,「費利號」將小心翼翼下降逾廿公里,即將抵達彗星表面時,設法降落在長九百公尺、寬六百公尺的蛋形位置「阿基爾吉亞」。科學家認為,這是長四公里的彗星表面危險性最低的位置。「費利號」體積與重量相當於一台冰箱,降落時重量約僅一公克。

「羅塞塔號」曾經送回有關彗星的信號,「費利號」則將以十種儀器研究彗星的物理與化學成分,提供首見的地面評估結果。第一批信號預定台北時間十二日晚間六時五十三分傳抵地球,「費利號」則預定當晚十一時卅四分許,降落在彗星表面。

科學家認為,彗星由冰與灰塵共同構成,是太陽系形成過程所遺留的遠古原始物質。彗星環繞太陽運行,接近太陽時,溫度變高,導致前端釋出多種氣體,同時留下因為太陽光而反射的冰粒子彗尾。部分專家認為,彗星可能曾經共同孕育地球的生命。

新聞來源網址:http://udn.com/NEWS/WORLD/WOR3/9060308.shtml

 


活動訊息_圖示


主  題:能源科技之風力機系統製作
日  期:103年11月20日(星期四)9:00~17:10。
地  點:國立科學工藝博物館北館三樓科學教室
講  師:林自奮教授
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:1662332

主  題:科學史講座(二)
日  期:103年11月25日(星期二)下午14:00~17:10。
地  點:國立臺灣大學思亮館國際會議廳
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:1673234

主  題:生活中的實驗
日  期:103年11月26日(星期三)下午13:00~17:10。
地  點:成功大學成功校區理化大樓二樓
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:1675445

主  題:2014數位化科學實驗研討會
日  期:103年11月29日(星期六)9:30~17:10。
地  點:東吳大學物理系外雙溪校區源流講堂
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:1666088

 

 

主  題:虎尾高中自製教具工作坊-直流高壓產生器
活動日期:第一梯次:103年11月18日、第二梯次:11月25日
參加對象:有興趣之國中、高中職教師
參加名額:每一梯次35人,另備取5至10人

主  題:生活中的太空科學-從太空做科展 
日  期:2014年11月29日 14:00~15:30
地  點:國立自然科學博物館科學中心地下樓演講廳
主  講:蕭俊傑  (國家太空中心福衛三號任務科學家)
活動網址:http://www.nmns.edu.tw/ch/education/about/speech/index.htm

主  題:東海大學物理系 2014冬季物理營
活動日期:2014/12/06(六) 10:00~15:30
參加對象:全國高中學生
活動網址:http://physics.thu.edu.tw/activity/2014pcwinter/

 


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