Guth_2007_Cambridge

提出宇宙暴脹的人

提出宇宙暴脹的人

提出宇宙暴脹的人

1979年12月7日清晨,32歲的博士後研究員古斯(Alan Guth)一起床就趕緊穿好衣服,小心不要吵醒隔壁房間還在熟睡的妻子與兩歲兒子,打開房門跨上自行車,奮力直奔他在史丹佛大學的研究室。抵達後他習慣性地看了手錶,只花了9分32秒,哇,遠超乎之前的記錄。

古斯坐到桌前,翻開筆記本,興奮地寫下

驚人頓悟:

這種過冷現象可以解釋為什麼今天的宇宙會平坦到如此驚人的程度,也因此可以解答迪克(Bob Dicke)在愛因斯坦紀念日演講時指出的精細弔詭。

古斯於1979年12月7日寫下「驚人頓悟」的筆記本,現存於芝加哥的阿德勒天文館(Adler Planetarium)。筆者於2023年6月拍攝。

接著他繼續寫出計算公式。讓古斯如此興奮的原因,除了他很可能破解了宇宙之謎,也因為他終於看到自己的學術生涯終於出現曙光。

古斯的研究之路並不順遂。他在普林斯頓大學的博士論文題目是關於束縛夸克的作用力,但就在1972年論文完成之際,另一種全新觀點的量子色動力學已經用「色荷」提出完整的解釋,讓他的四年努力形同白費。他取得博士學位後找不到教職,便留在普林斯頓做博士後,繼續研究基本粒子的理論。

在普林斯頓兩年期滿後,古斯到哥倫比亞大學做博士後研究,重新學習最新的「規範場論」。他偏偏選了磁單極粒子(目前所有磁鐵都同時有南北兩個磁極,磁單極粒子則是只有一個磁極)做為研究題目,這種粒子在理論上雖然是可能的,但現實中是否真的存在,卻有極大的爭議。古斯在哥倫比亞大學三年沒有具體成果,又到康乃爾大學待了兩年,1979年他來史丹佛已是第八年的博士後,史丹佛只給他一年的時間,如果再無成績,他的學術生涯就岌岌可危了。

古斯在康乃爾大學時認識也來做博士後的戴自海,來自香港的戴自海是研究弦論的,他向古斯建議:既然四大作用力在宇宙誕生之初是統一的,磁單極肯定存在,何不轉而研究為何現今看不到磁單極粒子?於是古斯又再次跨入他不熟悉的領域,讀起宇宙學,沒想到他當初研讀規範場論時掌握的對稱性破缺、希格斯場此時都派上用場。當他到了史丹佛大學,繼續思考宇宙大爆炸怎樣才會讓磁單極粒子減少,忽然之間一切就都水到渠成了。

宇宙大爆炸最初是1920年代時,幾位物理學家分別根據廣義相對論的解,以及哈伯觀測到的宇宙膨脹,而提出來的可能性。這個主張一直未被認真看待,直到1964年發現的宇宙微波背景符合大爆炸理論所預測的餘燼,學界才接受宇宙誕生於一場大爆炸。

不過大爆炸理論卻無法解釋一些現象。為什麼宇宙各處的背景輻射溫度幾乎相同?為什麼整體而言,宇宙的物質分布如此均勻,以致於空間曲率超乎尋常的平坦?這意謂著太初之始的物質密度與膨脹速率都必需恰好在一個臨界值,小數點後 15 位的細微差異,就會造成粒子分離四散,所有天體都無法形成;或使得宇宙在生命出現之前就已塌縮崩陷。這就是古斯在筆記本上所寫天文學家迪克指出的精細弔詭,而包括迪克在內的許多人還因此認為這是上帝微調的結果。

古斯就是在12月6日夜裏思索這些問題時,驀然出現「Eureka!」時刻,想到如何予以解釋。他提出宇宙暴脹的理論,主張大爆炸之前的宇宙不但比大家以為的還要小(遠比原子還小),而且一開始先歷經指數性倍增的暴脹,在10的32次方之一秒內就暴增到10的26次方倍,之後膨脹速度才放緩。由於瞬間暴脹,我們這個宇宙才會如此均勻、如此平坦。而原本存在的磁單極粒子被稀釋到超出我們視界的其它宇宙後,在我們這個宇宙中就寥寥無幾了。

宇宙大爆炸後,先在10^32分之一秒內經歷暴脹階段。圖片來源:Wikipedia

1980年1月底古斯發表宇宙暴脹的演說後,立即引起熱烈討論,當年春天他就脫離博士後研究員的身分,獲得麻省理工學院的副教授職位。他也因此獲得許多獎項,包括1996年獲頒愛丁頓獎章(Eddington Medal)、2009年獲頒「艾薩克·牛頓獎章」(Issac Newton Medal),以及2012年獲得當年創立的突破獎(Breakthrough Prize)。不過由於目前尚無證據可證實暴脹理論,至今他仍未獲得諾貝爾獎;今天(2月27日)是他77歲生日,且祝他能像希格斯那樣,在有生之年見到暴脹理論的證據,並獲得諾貝爾獎。

參考資料:

  1. Alan Guth – Wikipedia
  2. Inflation (cosmology) – Wikipedia
  3. Physicist Alan Guth searches for the Big Bang – nj.com
  4. Alan H. Guth life story | The Kavli Prize
  5. 对话暴胀模型先驱阿兰·古斯:无限宇宙的无限可能 | 新闻频道 | 领研网 (linkresearcher.com)

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