本帖最后由 JoshuaShaw 于 2010-4-13 13:49 编辑
发表于 2010-04-10 8:59
转自：
http://songshuhui.net/archives/36055.html
http://songshuhui.net/archives/36186.html
说明：感觉文章写的好，闲来无事，转转。
人类从宇宙中获得的绝大部分信息来自于光。
人类从宇宙中获得的最古老的信息来自于宇宙中最古老的光。这缕最古老的光有个专门的名字，叫做微波背景辐射（Cosmic Microwave Background 简称CMB）。微波背景辐射给我们讲述了宇宙小时候的许多故事，其中最诡异的故事莫过于宇宙的邪恶轴心了。
宇宙的“第一缕光”
故事是这样的。我们的宇宙一直在膨胀啊膨胀，已经近137亿岁了。如果逆着时间之河的方向去看宇宙的小时候，我们会发现，那时所有的物质应该都挤在很小的一片区域内。宇宙的年龄越小的时候，宇宙的“体积”就越小，物质被挤压的越紧密，那时宇宙的温度也就越高。如果再顺着这个逻辑推导下去，那么我们不得不认为宇宙诞生于一次“大爆炸”。美剧《The Big Bang Theory》的片头曲就是这么唱的：
“Our whole universe was in a hot dense state,Then nearly fourteen billion years ago expansion started. Wait…”（我们的宇宙曾处于炎热致密的状态，然后大约一百四十亿年前它开始膨胀。等一下…… ）
宇宙诞生之后，先是经历了一段不为人知的量子时期，然后是加速膨胀的暴胀时期。暴胀结束之后的一瞬间，宇宙是一锅高温的基本粒子汤，还没有形成原子。经过了“最初三分钟”的原初核合成的过程，宇宙的化学元素组成才比较接近我们今天看到的模样。
大爆炸之后的宇宙，宇宙处于红线部分时发出的光事实上是无法到达地球的。因此，最“古老”的光应该在这之后出现。（本图片来自“宇宙学中你需要知道的五件事情”）
那时候宇宙的温度仍然有几万K，比现在太阳表面的温度（约6000K）还要高。这么高的温度自然要伴随着强烈的发光过程。由于温度很高，发出的光的能量也很高，“寿命”也就很短：还没跑出多远，很快就被附近的原子（主要是氢和氦）吸收，使后者都电离成原子核和电子了。
随着宇宙的膨胀，温度越来越低，宇宙中高能光子的比例渐渐减少，而低能光子的比例却渐渐增多了。在宇宙大约38万岁时（仍然是幼儿时期），宇宙的温度降低到了约3000K。此时的高能光子寥寥无几，而低能光子又没有足够的能量再把中性原子拆散成原子核和电子了。从此，中性原子们“无视”了低能光子的存在，任由它们在宇宙中自由穿行，这才有了宇宙的“第一缕光”[1]。
WMAP——“第一缕光”的微波照相机
“第一缕光”发出时宇宙的温度有3000K。要知道把加热到1000K的铁就已经能发出暗红色的光来，3000K宇宙背景还不把黑夜照的跟白昼一样？可是从38万岁到现在的一百多亿年间，宇宙的尺度变大了1100多倍，这些在宇宙中旅行的光的波长也像房价一样被拉长了1100多倍。波长所对应的温度也有原来的3000K降低到了2.725K，仅仅比绝对零度高出一点点。人类懂得仰望星空时，宇宙的“第一缕光”早已成为“嘶嘶”的微波背景辐射。因此，当美国贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊在1964年惊奇的发现，天空中存在各向同性的，不随时间和季节变化的微波噪声时，他们最自然的想法是天线上的鸟粪和鸽子窝在作怪。
宇宙的尺度膨胀多少倍，宇宙光波的波长就膨胀多少倍——当然，光波的能量也就随之降低多少倍。（来源同上）
为了获取宇宙留给我们的最古老的信息，科学家们准备了许多“微波照相机”。例如，1989年11月，宇宙微波背景探测器（Cosmic Background Explorer，简称COBE）由NASA发射升空。1998年和2003年，“飞镖”球载望远镜（Boomerang）乘坐热气球两次在南极洲升空。2001年6月，威尔金森微波各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，简称WMAP）由NASA发射升空。2009年5月，普朗克巡天者（Planck）由欧洲空间局和NASA共同发射升空。到目前为止，已成功发回数据的“微波照相机”中，精确度最高，影响力最大的当属WMAP了。 David Todd Wilkinson，1935-2002
WMAP的名字是这么一回事。在彭齐亚斯和威尔逊正为了鸟粪和鸽子窝而犯迷糊时，美国的天文学家威尔金森等人已经试图着手探测微波背景辐射了。得知彭齐亚斯和威尔逊发现天线有微波噪声的事情之后，威尔金森等人撰文指出，不用擦鸟粪掏鸽子窝了，噪声的来源不是它们，而是宇宙。1978年，彭齐亚斯和威尔逊被授予诺贝尔物理学奖，其中威尔金森等人的解释性工作功不可没。为了纪念威尔金森这位伟大先驱者，探测器就以他的名字命名。
WMAP是为了继它的前任COBE之后，以更高的精度来探测微波背景辐射的各向异性，所以叫做各向异性探测器。宇宙学家们认为，既然我们的宇宙已经形成了恒星、星系、星系团等结构，就说明宇宙小时候，物质的分布不是绝对均匀的。这里多一点点，那里少一点点，这样由于万有引力和宇宙膨胀的共同作用，才能形成宇宙今天的样子。既然微波背景辐射是宇宙小时候的第一张“照片”，那么这个原初的不均匀性就应该在照片上有所体现。也就是说，我们探测到的微波背景辐射应该是这里热一点点，那里冷一点点，否则，宇宙现在就不可能是这个样子。
1992年，COBE发回的数据证实，微波背景辐射确实存在各向异性，这个温度的涨落大约在十万分之五，正好符合宇宙学的预期。2006年，COBE小组领导人的斯穆特（Smoot）和马瑟（Mather）获得诺贝尔物理学奖。
三代探测器的精度对比，从上往下依次是，Horn，COBE，WMAP。中间的高温主要来自于银河系。
COBE圆满的完成了任务，那么比它分辨率更高，灵敏度更高的WMAP又为我们带回了什么新的信息呢？故事讲到这儿，宇宙的邪恶轴心（axis of evil）要出场了。
四极矩、八极矩和邪恶轴心
2001年，WMAP上天，2003年，WMAP小组第一篇数据分析报告出炉了。2005年，2009年，随着WMAP数据的日积月累，WMAP小组又陆续发表了多篇分析报告。科学家们从WMAP小组发布的温度谱和功率谱中发现，CMB的各向异性大体上符合理论预期，但是四极矩和八极矩的数值偏低。而且，四极矩和八极矩的轴心几乎指向同一个方向：室女座（Virgo）。
和绝大多数信号一样，微波背景辐射的信号看起来也是杂乱无章，似乎毫无规律可言。为了分析它，物理学家将其中不同频率的部分“提取”出来，叫做球谐函数展开。球谐频率的高低用字母l表示，l=0时频率最低，叫做单极子（monopole）,l=1时叫偶极矩（dipole），然后是四极矩（quadrupole），八极矩（octopole），十六极矩（hexpole）……再往后就只能用l的大小来表示了。 从WMAP数据中生成的四极矩
从WMAP数据中生成的八极矩
在WMAP小组的数据分析中，l的数值至少分析到了1000以上。因此，四极矩算是其中的低频信号。八极矩的频率略高于四极矩，也属于低频信号。不确切的说，四极矩的信号应该是这两大片区域热一些，那两大片区域冷一些；而八极矩的信号就是这四小片区域热一些，那四小片区域冷一些。[见维基百科的动画]
每一组频率的信号的冷热交替都有特定的“对称轴”。不同频率的信号的轴心方向之间应该没有关联，你走你的阳关道，我走我的独木桥。可是在WMAP的数据分析结果当中，四极矩和八极矩串通起来给物理学家出难题，它们的振幅不但远远低于理论预期，还同时指向室女座。这看起来有些不可思议，仿佛宇宙学的各项同性假设被破坏了，宇宙中凭空多出来一个特殊方向。
室女座
更加邪恶的是，这个特殊方向所指的室女座方向，位于黄道面上。我们都知道地球绕着太阳转，如果以地球为参照系，也可以认为太阳绕着地球转，而黄道就是太阳的“公转轨道”。也就是说，一百多亿年前宇宙发出的“第一缕光”，就已经“预知”一百多亿年后，它所包含的万亿颗恒星当中，有一颗叫做“太阳”的恒星与众不同。“第一缕光”决定降低四极矩和八极矩的振幅，并使它们的轴心同“太阳”的轨道平面方向保持一致……于是，一群充满正义感的物理学家把这个现象叫做宇宙的邪恶轴心。
从宇宙学标准模型的意义上讲，发生这样事件的概率是1/24000，几乎没有可能发生。既然已经发生了，就要认认真真的找个理由来解释。这时，我想起高中做英语阅读理解时，有个同学很擅长解释答案的合理性。比如当他解释完为什么应该选A时，有人发现标准答案是B，于是，他马上就能解释为什么B比其他选项更合理。假如老师宣布答案印错了，应该是C，他又能列出一堆理由来解释选C的理由。后来我才明白，这位同学有研究理论物理的潜质！
物理学中的理论又有点儿像地球上的各种生物，千奇百怪层出不穷。等实验结果一出炉，99%的理论都“灭绝”了，只剩下少数理论还能勉强支撑。当人们逐渐发现，硕果仅存的理论仍然同进一步的实验结果有矛盾时，理论家们又在这些理论的基础上“培育”出具有不同“突变”的后代。于是，理论物理的生物圈又一次欣欣向荣，直到下一次“大灭绝”的来临。 （说明：古代物理学的理论大都灭绝了，例如亚里士多德的引力理论，地心说等等）
面对宇宙邪恶轴心的挑战，物理学家们大体上分为三派。第一派，是以WMAP小组的领导人Hinshaw为代表的哈哈派，在这个问题上含糊其辞，既不否定也不肯定，像是打哈哈说官话。这其实体现了他们谨慎的学术作风。第二派，是以Contalti和Longo等人为首的附和派。他们或者声称观察到300多个类星体围绕着邪恶轴心分布，或者说观察到1600多个旋涡星系的旋转轴也指向邪恶轴心。用来解释邪恶轴心存在原因的理论更加匪夷所思，例如说宇宙存在奇异的拓扑结构，或者说暴胀理论的原初密度扰动存在一种截断，或者干脆搬出弦论等重型武器……这多么像是在做英语的阅读理解啊！ 那么第三派的观点是什么呢？请看下集。
[1]：“第一缕光”通常指在经历了一段时期的“黑暗”之后，宇宙的第一批恒星所发出的（可见）光。本文所指的“第一缕光”的发出比第一批恒星诞生要早的多。
[2]：以上大部分图片来自维基百科。
[3]：cos提出的改正意见：“当年的理论解释的文章共4个作者，老板R. Dicke打头，理论解释的工作主要是Jim Peebles做得。Wilkinson和另外一个主要是做仪器的。所以不应该用“Wilkinson等人的文章”的提法。MAP以Wilkinson命名不是主要因为Wilkinson的先驱贡献，要说这个Dicke更有资格，因为DMR就是他最先设计发明的。MAP以Wilkinson命名的主要原因是Wilkinson在MAP上的核心地位，而且他耗尽心血，却偏偏在MAP出结果前去世。”
[4]：冷冻过的鱼指出了铁熔点不是1000K的错误。 | 
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