http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2013-04-08
普朗克拍下宇宙高清“婴儿照” 标准模型或成宇宙学发展桎梏
标准模型的6个参数几乎完全符合宇宙微波背景下不同温度波动的分布。
图片来源：ESA、THE PLANCK COLLABORATION
新闻有时候隐藏在科学家没说的话里。研究人员日前发布了一张最佳的宇宙微波背景图，宇宙大爆炸在图中就如斑驳的晚霞一般。欧洲空间局（ESA）普朗克探测器收集的数据验证了宇宙学家关于宇宙成因与组成物质的标准模型的正确性。但是一些科学家原本希望普朗克探测器能揭示一些标准模型所不能解释的概念死角，并为从更深层次理解宇宙提供线索。遗憾的是，普朗克探测器未能发现这些。
一些宇宙学家担忧，宇宙学研究可能正受困于一种可以解释所有测量结果但却留下更大无法回答问题的理论。粒子物理学家已经饱受这种折磨达30年之久，他们的标准模型可以解释通过核粒子加速器发现的任何事物，包括最新发现的希格斯玻色子，但却无法回答更重要的概念问题。美国麻省理工学院（MIT）的宇宙学家Max Tegmark说：“标准模型的弊端已经困扰粒子物理学几十年，现在轮到宇宙学了。”
根据宇宙学标准模型的描述，宇宙在一次大爆炸中诞生，就像一碗浓稠的热汤般由物质与能量组成。在最初的10-30秒内，空间的扩展速度大于光速。这种“膨胀”速度呈几何级地将空间“拉平”得如绷紧的床单一般。同一时刻，空间的扩展还放大了原始空间中微小量子的波动，这种波动最终促使星系形成。另外，量子的波动还造成宇宙微波背景中温度的差异，这一现象已被于2009年发射的普朗克探测器精确地捕捉到。
通过研究宇宙微波背景以及利用其他测量手段，宇宙学家能够推测出宇宙的组成物质。普朗克探测器对这些测量方法进行了改进，尤其是对美国宇航局（NASA）于2001年发射的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）的改进（该探测器于2001年至2010年间收集数据）。根据普朗克的数据，宇宙是由4.9%的普通物质，26.8%神秘的暗物质（通过它的引力作用各星系才能联系在一起），以及68.3%奇异的暗能量组成。宇宙已经诞生138亿年，这比WMAP的数据还要早1亿年。英国剑桥大学宇宙学家，同时也是普朗克研究小组成员的George Efstathiou于3月21日在法国巴黎ESA总部召开的一场新闻简报会上报告称，宇宙中有层次地存在着许多大小不一的“热点”与“冷点”，标准的宇宙学对于这些点的密钥分布推断得近乎完美。这一事实令人震惊，因为点对点理论仅有6个可调参数。
更重要的一点Efstathiou在报告中并没有提到。实际上，科学家将许多希望寄托于普朗克探测器上。例如，宇宙微波背景中温度的差异也许并非是随机分布的，或者推断的波动密度排列也许缺少一种独特的统计学特性。任何一种发现都能将膨胀的简单模型“量子场”论排除掉。但是，凡是标准模型不涉及的数据，Efstathiou在报告中都没有提及。他说：“我们不需要那些数据。”
但数据确实显示了一些特殊信息。Efstathiou也说，从大方面看，出现了一些“异常情况”。例如，南部天空的气温变化较北部更频繁。Tegmark说，这种怪事早已被WMAP发现，并且可以传递一些细节来揭示膨胀是如何开始的。他说：“或许宇宙正尝试着向我们传递某种信息。”
但是，很难去解读这些异常现象。宇宙微波背景中涟漪的产生是一个随机的过程。因此单独解读某一现象只能得到一些有提示性但却无价值的信息，正如你总能把天空上漂浮的某一朵白云看成某种动物一样。马里兰州巴尔的摩市约翰斯·霍普金斯大学的宇宙学家Charles Bennett曾经是WMAP小组的负责人，他说：“如果你手中的数据多到足够将它们按照多种方式重新排列的话，你最终将有所发现。”
许多宇宙学家认为宇宙学研究的前途仍然是光明的。标准理论既没有具体规定什么是暗物质和暗能量，也没有说明宇宙膨胀的方式，因此许多重大问题仍然有待研究。通过对宇宙微波背景的进一步研究，宇宙学家将很快能够对膨胀作出解释。研究人员正着眼于研究微波极化中的漩涡模式，该模式起源于宇宙膨胀过程中产生的重力波。Bennett说，通过研究漩涡模式，科学家可以对宇宙膨胀过程有所了解。
但如果没有那些“发现”的话，宇宙学家将被差强人意的标准模型束缚住手脚，而这一结局已经被预测过了。曾是一名科学记者的新泽西州霍博肯市史蒂文斯理工学院的John Horgan于1996年在他所著的《科学的目的》一书中争论道：宇宙学家和粒子物理学家已不可能再有任何发现了。科学家对Horgan的论点嗤之以鼻，并且在2年后以事实证明了其判断的荒谬性。天文学家于1998年发现宇宙正在以加速度的方式膨胀，这是证明宇宙中存在暗能量的第一份证据。
现在，暗能量是宇宙学标准模型的一部分，但却使标准模型变得更加死板。Horgan说：“科学家努力地为标准模型添砖加瓦使它变得完美，但他们最终会失望的。我不喜欢说我早说过了，但我必须要这么说。”
[中科网]
探测器新数据揭示宇宙命运：或在大撕裂中灭亡
普朗克最新数据绘制的宇宙微波背景辐射地图，可以看到神秘的“邪恶轴心”(白色线)以及诡异的低温区域(白色圈出)，宇宙学家们认为后者可能是另一个宇宙与我们所在宇宙之间的碰撞产生的结果
新浪科技讯 北京时间4月8日消息，据英国《新科学家》杂志报道，从与一个倒扣的碗相类似的大爆炸之初，到最终的大撕裂假说，最新的普朗克望远镜测量数据正在改变我们对宇宙的认识。
就在欧洲空间局(ESA)公布由普朗克望远镜获取的迄今最详尽宇宙微波背景辐射(CMB)地图的前夜，美国密歇根大学科学家德雷根·亨特(Dragan Huterer)表示：“明天将是宇宙学家们的新生之日，这将是一场盛宴，而我们将会逐个品尝这些大餐。”
就和生活中真正的生日礼物一样，这些礼物所带来的总有一些是你预料之中的，还有一些则是惊喜。但有时候也会有一些礼物不那么讨人喜欢——的确，此次普朗克望远镜给出的观测结果中有一些异常之处让人感到困惑，这就是一种被宇宙学家们称作“邪恶轴心”(Axis of Evil)的大尺度宇宙结构现象。
这份最新的宇宙地图于3月21日对外公布，其数据是由欧空局的普朗克空间望远镜获取的，其精确纪录了宇宙微波背景辐射中的温度差异。这些温度上的不均匀一般认为是在宇宙大爆炸之后经历的一个被称作“暴涨”的时期产生的量子涨落导致的，这种不均匀性构成了日后形成今日宇宙中恒星和星系结构的基础。
碗口模型
此次引起广泛关注的一点便是，普朗克获得的最新数据中与宇宙暴涨过程有关的情况。亨特表示：“暴涨是宇宙早期情形，是早期宇宙中最基本的情形之一。”
在此之前获得的宇宙地图分辨率较低，不足以揭示宇宙暴涨过程中的很多细节。如果暴涨的加速机制和一个滚下山坡的球的加速机制相同，那么现在存在的问题就是：暴涨的过程究竟是和一只碗的内壁形状相似，还是与外壁的形状相似？前者意味着暴涨的过程先快后慢，而后者则相反，先慢后快。另外一个问题则是：这只碗究竟是一只浅浅的碟子，还是一只深深的瓶子？
根据普朗克望远镜获得的精度更高的数据支持一个浅浅的碗口外壁模型。项目组科学家马丁·怀特(Martin White)表示，这一结果可以将现有70%的凹面模型排除在外。
不过目前仍然有一些细节方面的问题尚未弄清，比如暴涨加速的过程究竟是沿着碗壁螺旋上升还是直线上升？到目前为止没有人能够回答这样一个大问题：暴涨究竟为何会发生？然而有了普朗克望远镜提供的最新数据，科学家们将可以在此基础上提出一些新的假设。
怀特表示：“我们毫无疑问知道犯罪案件的存在，但是我们在侦破案件的过程中遇到了困难，直到福尔摩斯告诉我们这件事情究竟是怎么一回事。”
邪恶轴心
普朗克望远镜为我们带来的另外一件礼物——如果可以被称作礼物的话——那就是一大堆的异常，其中就包括宇宙学家们所谓的“邪恶轴心”(配图中的白色线)。如果暴涨遵循最简单的路径，那么宇宙应当在各个方向上处处相同，宇宙中热点和冷点的分布应当是随机的，但是此前的观测结果便已经确认了，观测到的实际情况并非如此。
这些异常之中最大的异常似乎就是一条明显的分界线，它将表现较小温度差异的区域与表现较大温度差异的区域隔离开来，宇宙学家们将其称为“邪恶轴心”，原因是因为这条线诡异地和太阳系的黄道平面相吻合。
从“邪恶轴心”的名称上就可以看出，很多宇宙学家厌恶这种现象。他们认为这种诡异的重合说明这是一种人为的观测误差效应，它可能与我们观测宇宙微波背景辐射现象时采用的方式有关。因此这些科学家热切的希望来自普朗克望远镜的更高精度的数据中将消除这一“邪恶轴心”的影响。但是他们等来的却是相反的坏消息。普朗克的高精度观测证实了邪恶轴心的结构的确存在，这就意味着这一现象并非是由于银河系或太阳系尘埃效应或者是望远镜观测误差所导致的偏差效应。
普朗克项目组成员科兹托夫·戈尔斯基(Krzysztof Gorski)指出，普朗克的最新数据显示这一邪恶轴心的走向并非像此前认为的那样与太阳系平面高度重合，但是科学界仍然需要解释这一界限存在的原因，如它是否有可能是早期宇宙中的一个结构团块，造成了宇宙在暴涨过程中形成了某种对称结构？亨特表示：“如果真的能找出某种基本的，源自早期宇宙的深层机理，那将是棒极了的！”
惨烈的结局
在此前精度较低的观测中还有一个引起宇宙学家关注的异常也在更高精度的普朗克观测结果中继续存在，那就是一个大型的低温区域(配图中白线圈出的区域)，它被认为可能是另一个宇宙存在的证据。多重宇宙的想法在宇宙学中存在已久，但是一直没有得到证实。当这个异常的低温区域出现在宇宙微波背景辐射(CMB)图像中时，一部分宇宙学家提出这可能是我们所处的宇宙与另外一个宇宙相互碰撞的产物。
普朗克望远镜获得的高精度数据或许也将揭示我们宇宙未来的命运。此次探测结果中的一项便是更新了宇宙膨胀加速度的数值。宇宙的膨胀加速度是由一个参数，即哈勃常数来描述的。在此之前这一数值是通过对一类特殊的恒星，即造父变星的观测获得的，这样获得的数据让我们得以了解宇宙在过去和现在的膨胀速度。而对宇宙微波背景辐射的观察则开启了另外一扇大门，让我们得以一窥宇宙从其最初开端以来的膨胀速度。
如果宇宙的膨胀加速度保持恒定(事实上现有的理论通常也是这么认为的)，那么通过造父变星和通过宇宙微波背景辐射得到的观测结果应该是可以相互吻合的。但实际情况却并不是这样。对此，一种可能的解释是导致宇宙加速膨胀的暗能量的密度有可能是随时间增加的，这样导致的结果将是整个宇宙最终在“大撕裂”中灭亡，而不是现在很多学者所认为的“热寂死亡”。
怀特表示：“这真是非常激进的观点，但是它的确是在我们探索这个问题的过程中必须要考虑的可能性之一。”
惰性中微子和引力波
普朗克探测器的最新结果已经否决了惰性中微子假说的可能性。这种设想中的粒子是理论物理学家们提出来用以解释暗物质成分的。根据普朗克的探测结果，暗物质构成了宇宙中所有物质总量的大约84.5%。
此前的宇宙微波背景辐射探测已经证明宇宙比原先设想的更加平滑。这就给所谓的“惰性中微子”留出了存在的空间。物理学家们设想这是一种比传统的三种中微子，即电子中微子、μ中微子和τ中微子更加难以捉摸，因此它可以将能量从宇宙的一处传递到另一处而不会像普通物质那样受到阻碍。然而此次普朗克给出的最新的更高精度的结果证明宇宙的粗糙程度完全可以用三种中微子来解释，不需要用到第四种中微子类型。
最后，这份生日大礼包里还夹带着一张欠条：普朗克望远镜之后将会进一步发布数据，提供宇宙微波背景辐射在不同方向上，即偏振方向的震荡分布地图。这将提供宇宙在早期膨胀阶段产生引力波的线索。而这些都是爱因斯坦广义相对论中所预言的关键性部分，但到目前为止我们对此仍然了解甚少。目前为止普朗克望远镜已经收集了这些偏振数据，按计划欧洲空间局将在明年年初对外发布。(晨风)
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这位教授称，普朗克数据比威尔金森宇宙微波各向异性探测器的分析结果得出的频率更高
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现在克拉默利用质量更高的普朗克读数，制成这个新版本。他在自己的网站上解释说：“新频谱比威尔金森宇宙微波各向异性探测器的分析结果得出的频率更高，因此它提供了有关宇宙大爆炸的声音的一个更好的‘高保真’版本。”这位物理学家借助了普朗克任务对宇宙微波背景(宇宙开始形成后大约40万年发出的辐射，它把宇宙微波背景的温度变化转变成角频率分量，或称多极)进行分析得出的结果。
克拉默指出，事实上宇宙大爆炸的频率太低，人耳根本接听不到，因此他在模拟过程中对它们进行了放大，这次模拟象征着宇宙的最初76万年。上个月欧洲航天局公布了根据普朗克太空望远镜在最初的15个半月收集的数据制成的婴儿期宇宙的画面。这些数据还为现在的宇宙膨胀速率设定了新数值，这预示着宇宙的年龄是138.2亿岁，比以前认为的年长8000万岁。(孝文)
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