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【科學講堂】通訊「雜音」暗藏宇宙洪荒密碼

2018-12-05
■水到了冰點就會凝結成冰;同樣道理,隨茼t宙在慢慢冷卻,物質也會逐漸變回我們比較熟悉的形態。 網上圖片■水到了冰點就會凝結成冰;同樣道理,隨茼t宙在慢慢冷卻,物質也會逐漸變回我們比較熟悉的形態。 網上圖片

「天地玄黃,宇宙洪荒。」宇宙初始的時候,究竟是什麼樣子的呢?這真不是一個容易回答的問題。不過很久以前跟大家分享過宇宙大爆炸理論,反映出我們對宇宙初始狀態其實是有一定認識的。今天就和大家介紹「宇宙微波背景輻射(Cosmic Microwave Background Radiation)」:這些充斥於天空各個角落、已經被我們精準量度的輻射,經常被科學家們戲稱為最接近宇宙初開的面貌。

雜音充斥各角落

不知道大家有沒有聽過這個「宇宙微波背景輻射」是如何被發現的呢?在上世紀60年代,美國貝爾實驗室(Bell Laboratories)的彭齊亞斯(Arno Penzias)和威爾遜(Robert Wilson)一直致力開發準確的通訊系統,但是不管他們如何努力,當利用他們的系統通訊的時候,天線總是會收到一些不明的「雜音」。

理論上來說,鴿子的排泄物也會影響電波通訊,因此彭齊亞斯及威爾遜甚至不厭其煩地派人將天線上的排泄物清理乾淨。儘管如此,這些「雜音」還是「抹之不去」,而且這些「雜音」不會因為他們將天線指向天空的哪一個方向而特別變強或變弱,因此,看來也不是來自於某一個星體或者其他人造的來源。這些「雜音」究竟是什麼來的呢?

普林斯頓大學的幾位科學家,包括迪克(Robert Dicke)、皮布爾斯(Jim Peebles)、威爾金森(David Wilkinson),正好在尋找這種充斥於天空各個角落的電波。早在上世紀40年代,科學家們已經在預測宇宙大爆炸的其中一個後果,就是這種高度平均地佈滿天空的電波。彭齊亞斯、威爾遜及普林斯頓大學的幾位科學家在討論過後,一致認同他們測度到的這種電波,就是宇宙大爆炸的結果。

彭齊亞斯及威爾遜開發的通訊系統並不是有問題:反而是這個系統十分精確,再加上他們努力地將其他的雜音來源掃除,因而最終能夠把這個「宇宙微波背景輻射」找出來。因為這個發現,彭齊亞斯和威爾遜得到了1978年的諾貝爾物理獎。

由不透光變透明

這個「宇宙微波背景輻射」,跟宇宙大爆炸究竟有什麼關係呢?大家要想像在宇宙大爆炸的一刻,整個宇宙的物質都是集中在極小的空間中,因此溫度極高,高得足以把物質都熔化掉,不再是它們一貫的形態了:物質不單不是以原子的形態而存在,甚至連原子核中的質子和中子也早已被熔化掉了。

不過,不用擔心,宇宙其後在一直膨脹,也就是說能量被分散到越來越大的空間中,因此宇宙的溫度會逐漸下降。正如水到了冰點就會凝結成冰一樣,隨茼t宙在慢慢冷卻,物質也會逐漸變回我們比較熟悉的形態:質子和中子會慢慢形成,再組合成原子核;然後帶正電荷的原子核會和帶負電荷的電子「重聚」,變回原子。

這個重新組成原子的步驟其實至為重要,當帶正電荷的原子核和帶負電荷的電子分開的時候,它們各自的電荷會嚴重阻礙電波通過,因此我們可以說,這個時候的宇宙是不透光的。

然而,當原子核與電子「重聚」以後,他們所組成的原子不再帶電荷,因此電波能夠暢通無阻了。我們可以說,宇宙在相對短時間內由不透光變成透明:從這個宇宙初始時刻出發,一直跑過透明的宇宙,到現在被我們測度到的電波,就是「宇宙微波背景輻射」了。

小結

「宇宙微波背景輻射」的發現,聽起來好像有點「無心插柳」。不過「幸運女神總是眷顧有準備的人」:如果沒有彭齊亞斯和威爾遜對準確量度的堅持,以及多位學者在理論層面的理解,這樣重大的發現,也只會是和我們擦身而過。

■張文彥博士 香港大學理學院講師

短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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