【科學科普】138億年前宇宙的一道光,或將迫使我們建立新的物理學法則

天空之城 2020/12/01 檢舉 我要評論

在宇宙中,不論是恒星與恒星之間,還是星系與星系之間,都彌散著一種非常微弱卻極其特殊的電磁波。這種電磁波記錄著最古老的宇宙歷史,因此備受科學家們的關注,它就是 宇宙微波背景輻射(the cosmic microwave background,簡稱CMB)。

138億年前,宇宙大爆炸,創造了今天宇宙中的物質。但是,當時宇宙溫度過高,亞原子粒子無法穩定結合在一起。在大爆炸的38萬年後,宇宙終於降溫到允許離子和電子結合為原子。這些初生的原子十分活躍,用微波向宇宙宣示自己的誕生,於是就形成了CMB。

多年以來,科學家一直通過CMB瞭解宇宙的那一段歷史,也是推測宇宙誕生與演化的重要參考。最近,他們在對CMB進行研究的時候,發現了一些詭異的事情。一種新的觀測技術暗示了光的一種扭曲,而這種現象正在挑戰著一個物理理論—— 宇稱守恆。難道,我們又要迎來物理學的一次重大變革?

粗略地講:根據物理學的標準模型,如果某個物理定律經過了鏡像的翻轉,那麼這個物理定律本身仍然適用,這就叫做宇稱守恆。

1956年的時候,楊振寧和李政道對這個法則提出了挑戰,並且在實驗女王吳健雄的幫助下,他們證明了弱相互作用下的宇稱不守恆,並且在1957年獲得了諾貝爾物理學獎。不過,他們的證明也僅限於弱相互作用,也就是微觀世界。而如今,科學家們在宇宙尺度下發現了宇稱可能不守恆的現象,就更加令人震驚了。

這一次可能轟動物理學界的發現,來自於兩名日本物理學家——日本高能加速器研究機構的Yuto Minami和德國馬克斯·普朗克天體物理研究所和日本卡夫利宇宙物理與數學研究所的Eiichiro Komatsu相信,通過CMB的偏振角,他們發現了宇稱不守恆的線索。

所謂的偏振,是包括可見光在內的所有電磁波的一個特點,我們可以理解為它只能朝一個方向振動。我們經常看的3D電影,就是利用兩個眼鏡接收兩個不同方向的偏振光,使我們看到了立體的效果。在光線被散射後,波就會發生偏振,大氣層中的一些顆粒或水分子就可以產生這個效果。在宇宙中,這樣的現象也會發生。

正如我們前面所說,在大爆炸的38萬年之內,宇宙都保持著極高的溫度,以至於亞原子粒子到處亂竄,根本無法結合為原子。在那個時候,整個宇宙也像是充滿了迷霧一樣,看起來十分模糊,光子在宇宙中的傳播也面臨著重重阻礙。

然後,宇宙溫度降低到了一定的程度,質子和電子終於相對穩定了一點,結合成為了氫原子。宇宙開始平靜,空間也變得透明,光子終於可以自由穿梭。就在等離子體向中性氫轉化的過程中,光子在電子作用下發生散射,導致了CMB的偏振。

這種偏振可以給科學家提供許多關於早期宇宙的秘密,尤其是它離奇的偏振角度CMB β,更加引起了科學家的注意,因為它有可能暗示我們CMB與暗能量和暗物質之間的神秘關聯。我們知道,暗能量是宇宙膨脹的動力,暗能量則提供著引力,它們佔據了宇宙能量的絕大部分,卻始終無法被我們探測到。

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