形上集

ΛCDM模型獲諾貝爾獎認可

2019-11-01 高涌泉
2019年諾貝爾物理獎得主皮伯斯的成就再度彰顯了求真精神的傳承。


宇宙學家皮伯斯(James Peebles)是今年諾貝爾物理獎得主之一,他獲得一半的獎金,另一半由兩位發現系外行星的天文學家平分。我在聽到皮伯斯獲獎時,馬上想到的是傳承:皮伯斯的成就源自當年在美國普林斯頓大學博士論文指導教授迪奇(Robert Dicke)的啟發。迪奇在1960年代中期領導重力研究團隊,想要尋找大霹靂後遺留下來的「宇宙背景輻射」,皮伯斯受命在團隊中負責理論分析的工作。迪奇要皮伯斯想一想,如果他們真找到了微波背景輻射,那麼它在理論上的意涵是什麼;反過來說,如果沒找到,則又意味著什麼。儘管迪奇的團隊運氣不好,微波背景輻射讓貝爾實驗室兩位研究員意外地早一步發現,但皮伯斯(以及團隊其他成員)持續深究背景輻射的意義,終究也登上了諾貝爾殿堂。我以為今年諾貝爾物理獎皮伯斯這一部份所表揚的,也包括了普林斯頓迪奇團隊數十年的貢獻。


2008年諾貝爾物理獎的一半獎金由日本學者小林誠與益川敏英平分,我以為他們獲獎的狀況與皮伯斯的獎有某種可類比之處:小林誠與益川敏英是因為提出六夸克模型,說明了CP對稱如何失效而獲獎,但我以為這個獎也表揚了兩人在大阪大學的指導教授坂田昌一,以及他所領導的基本粒子研究團隊,因為小林誠與益川敏英的理論得益於坂田昌一更早提出的模型,以及坂田學派學術氣氛的啟發。


在諾貝爾獎中,我還可以舉出更多學術傳承的例子。我們可以說傳承是科學研究進展之必然。不少傳承是跨時空,例如伽利略與牛頓、法拉第與馬克士威。有些是師徒合作,共享榮耀。像上述例子,老師未能成功,而由學生(甚至學生的學生)登上頂峰的故事也不罕見。當然大家知道,最要緊的是求真精神的傳承。


就科學成就的具體內容而論,皮伯斯的獎意味著ΛCDM模型(也稱宇宙學標準模型),在諾貝爾委員會眼中已經確立了。此模型名稱ΛCDM中的Λ代表宇宙常數(因為愛因斯坦當初在引入宇宙常數的論文中即是以希臘字母λ來代表),其物理意義是真空所具有的能量,俗稱暗能量,而CDM則代表冷暗物質(cold dark matter),所以ΛCDM模型的內涵即是宇宙是由暗能量、冷暗物質與一般物質所組成的。觀測數據告訴我們暗能量約佔宇宙總能量的69%,冷暗物質約佔26%,一般物質約佔5%。ΛCDM模型絕不是皮伯斯50多年前開始研究宇宙到底是怎麼回事時所能預想的,它的發展相當曲折,是很多學者的集體創作,但皮伯斯扮演了關鍵角色。


在宇宙背景輻射發現之後,皮伯斯及其他宇宙學家就開始追究一個問題:這個輻射的不均勻程度到底如何?所以就有人設法測量來自不同方向的背景輻射在溫度上的差異(異向性),也有人研究這些微小差異如何在宇宙膨脹過程中形成宇宙中各種結構,例如星系。1990年代宇宙學的一大進展就是明確量出溫度異向性,而其結果與皮伯斯在1982年一篇論文對於異向性的預測大致相符。皮伯斯在論文中假設天文學家早已認定存在的暗物質是低速(非相對論性)的物質(因此是冷物質),在此假設下,他把宇宙大尺度結構與輻射溫度異向性連結起來,而做出事後看來成功的預測。


皮伯斯在1984年提出另一篇重要論文,把當時被大家拋棄的宇宙常數再度請了出來,理由是:宇宙如果是平坦的(這是熱門的暴漲理論的預測),其能量密度必須等於所謂的臨界密度,但暗物質與一般物質的密度之和仍低於臨界密度,暗能量恰可補上其欠缺。由於暗能量對於宇宙膨脹的速率有影響,後來對於膨脹速率的觀測也證實了暗能量的存在。


ΛCDM模型的優點在於它只需使用少數參數就能說明眾多的觀測結果,所以獲得諾貝爾獎肯定,也不算意外。但還是有一兩片烏雲飄在上頭,最重要的是我們一直找不著暗物質,沒人敢斷言最終結局。


# 關鍵字:名家專欄物理形上集
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