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它們曾親見創世|宇宙微波背景五十年

2014/6/2 — 10:00

前些時候,有人告訴我,電視頻道間的雪花,百分之一是宇宙微波背景 (CMB)1——創世大爆炸的餘暉。 不期然想起羅蘭·巴特那「歷久不去的驚訝」:

Je vois les yeux qui ont vu l’Empereur.

靈光一閃的悸動,我們都想和身邊人分享,屢次沒有共鳴,就擱下了,「生命就是這樣,充滿孤寂的漣漪2」。 前星期二,微波背景發現五十週年,官方紀念活動已在二月份舉行,獨自重溫這段宇宙科學革命的重要序幕。感謝谷歌神器,讓封塵的典故彈指間一一活現。原來歡欣和榮譽之外,驚世發現的迴響中還隱有懊惱和遺憾。也許這些終會被遺忘的人物和探索故事,比絕冷的始源遺跡更教人神往。畢竟,即使現代人已斗膽3自編科學創世記,宇宙大歷史穿越百卅億年的百萬億億星空之後,還是要回到地球,和人類的命運扭結不分,讓每一個人補上注腳。

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國產淩淩柒太空競逐

半世紀前五月廿日收到神秘訊號時,Arno A. PenziasRobert W. Wilson 只是卅一和廿八歲,己前後腳來到新澤西州 Holmdel 鎮貝爾實驗室工作近年,接管一套廿呎號角天線(下圖右)。這隻「垃圾鏟」原是迴聲一號全球通訊實驗一部份,接收由西岸加州理工 JPL 發出,經高空氣球「衛星」(下圖左)反射來到東岸的訊號(對,高空反彈!)。不要小看設備土頭土腦,蓋滿 Mylar 反光物料的一百呎大氣球是美國蘇聯太空競賽初期產物,緊隨蘇聯 Sputnik 衛星到達高空軌道,為配置有無線收發設備的真正通訊衛星 Telstar 作訊號追踪和收發實驗。「垃圾鏟」訊號儀器採用的紅寳石微波鐳射由蘇聯科學家首先在五二年發表理論,Penzias 的博士導師 Charles Townes 翌年搶先製成。兩師徒學術地位懸殊,在不同學術領域獲諾貝爾獎,原來緣起冷戰微波。

圖:Project Echo 採用的氣球衛星及號角天線

圖:Project Echo 採用的氣球衛星及號角天線

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六零年八月 Holmdel「垃圾鏟」收到大氣球「彈」來第一段訊息,是艾森豪威爾致辭的䤸音,美國總統乘機向全世界聲稱,太空實驗「以和平為目標,造福全人類」。雖然太空技術造就了足以毀滅人類文明數十次的軍備,「垃圾鏟」後來總算成為解開宇宙起源密碼的 rosetta stone,退役後保留作國家歷史地標。而蘇聯以 Sputnik 衛星一馬當先的太空競賽,在岩士唐月球上踏出「人類一大步」後分出勝負。

悲劇英雄擦身而過

Holmdel「垃圾鏟」只是競賽的臨時演員,一九六二年國會通過法案由 Comsat 獨家開發衛星通訊後,號角天線就退役,微波鐳射接收器調到 Telstar 頻道作輔助監聽。 Penzias 和 Wilson 接手後,計劃利用它不受地面噪音影響的高靈敏度,延續博士論文的銀河系微波輻射研究,及探測其中仙后座 A 超新星遺跡的訊號。

兩位年青電射天文學博士原是宇宙學外行人,僅有的常識來自天體物理學家 Fred Hoyle 的講課。Wilson 在加州理工旁聽時,教授已名滿宇宙,「我們都是星塵」這個「物理學最有詩意」的叙述,就是他的超新星核合成學說演釋,現已成為宇宙學基礎理論。一九八三年理論獲得諾貝爾獎,但得獎人名單中沒有 Fred Hoyle,令科學界震驚,相信是因為他一生無視不斷累積的大爆炸證據堅信宇宙無始無終

半世紀前,Fred Hoyle 的穩態論仍受科學家重視。Wilson 亦承認,哲學認知上傾向無始無終的宇宙模型,故他和 Penzias 初時未接受大爆炸論,里程碑報告裡只交待微波測量結果,不提宇宙學4

圖:Fred Hoyle 九四年四月初在一個 BBC 節目首次用大爆炸形容「宇宙遠古時全部物質一次過生成的一刻」,from “Fred Hoyle: An Online Exhibition”

圖:Fred Hoyle 九四年四月初在一個 BBC 節目首次用大爆炸形容「宇宙遠古時全部物質一次過生成的一刻」,from “Fred Hoyle: An Online Exhibition”

最諷刺的,是 Fred Hoyle 奚落宇宙澎漲的起始為「大爆炸」,科學界卻欣然接受,索性用來代表整個宇宙演化模型,然後由一個和他擦身而過的外行人找到大爆炸證據,將他信守的穩態論送入學術堆填區。

本來穩態論能被觀察證據輕易否定,是優秀科學論說的可證偽性必要條件。宇宙學由四十年代以前零散的數學猜想銳變為一門嚴肅的觀察科學,穩態論引起對基礎觀念的爭議及學說之間的競爭功不可抺5。奈何科學偉人未能超越觀念局限,學術淪為信仰,斯人獨憔悴終老,令人惋惜。

不知發生了大事

Fred Hoyle 早年並不寂莫。普林斯頓天體物理學家 Robert Dicke 偏愛的波動宇宙模型亦無始無終,不斷重覆由大爆炸開始澎漲,以大崩墜終結收縮的週期。不過,波動論的大爆炸和由創世開始的主流大爆炸模型實際上沒有分別。

一九六四年五月廿日,在離普林斯頓不遠的 Homldel 鎮,Penziacs 和 Wilson 剛啟動改裝了一年的號角天線和微波接收器,立刻錄得不可思議的神秘訊號。在這個未為人知的歷史時刻,Robert Dicke 正在指導團隊計算及建造儀器,探測微波背景輻射。按照波動宇宙模型,前週期的一切物質已在大崩墜過程完全分解,成為只有能量和原始粒子的極高密度原初火球,在熱平衡狀態下產生的黑體輻射隨著宇宙澎漲至今,已冷卻成為接近絕對零度,無處不在的宇宙背景,若能探測得到,將是大爆炸最有力的證據。

未有互聯網的年代,隔行如隔山。Penzias 和 Wilson 面對神秘訊號,只顧為軟件硬件找錯「捉蟲」,及四處請教同行,卻沒有想過答案就在阰鄰的普林斯頓。兩人將可能產生噪音之處逐一封堵,不但不減分毫,更發現無論「垃圾鏟」指向天上任何方向,神秘訊號強度不變,亦不隨天氣季節變化。這時兩人已知道,無處不在的訊號只可能源自銀河以外的宇宙背景,若以目標為本、效率至上,大可開展原訂的測量計劃,事後只須將平均一致的背景訊號減去。幸好優秀科學家有最可貴的好奇本能,不解疑難不罷休;儘管他們仍埋首在細節的死胡同。

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兩位拍擋苦無頭緒,懷疑兩隻寄居「垃圾鏟」的白鴿遺下污物輻射出微波,親手用鴿籠誘捕及裝箱送到紐約州。白鴿專家看不上眼,一句「垃圾鴿」就讓它們打個「白鴿轉」折返 Holmdel,為科學探索犧牲。(這套大爆炸論史上最著名的「儀器」現時在 Smithsonian National Air and Space 博物館展出。早前紀念演說中6,和善的 Wilson 說到這裡亦忍俊不禁。)

解決了白鴿之後,兩位射電天文學家滿懷希望地穿起白袍和手套,拿著掃把和抺布,爬上「垃圾鏟」親手清理上面的「白色介電質」。老 Wilson 自謿,「這兩人一九六五時,仍懵然不知發生了大事」。

時勢英雄共創大歷史

「 Bob 應該同享諾貝爾獎」,Jim Peebles 至今仍未釋懷。 這位普林斯頓「愛因斯坦」榮休教授,就是五十年前 Robert Dicke 團隊的理論研究員。大教授最近為文憶述7,Robert Dicke 在四六年已擁有微波背景測量技術及算出其數值上限,但連同 Goerge Gamow 及 Ralph Alpher 等人開拓的早期猜測,一起遺忘在宇宙學百花齊放的戰亂年代。

無論如何,到了六四年,大爆炸理論已成熟,Robert Dicke 再度提起探測微波背景的興趣,安排 Jim Peeble 推測微波數值上限,由 David Wikinson 負責運用 Dicke 二戰發明的輻射計建造小型號角天線,準備測量。

當大教授想做一件事,首先找博士後幫手,何況普林斯頓有最好的博士後6

萬事俱備,神秘訊號解密,只餘兩度分隔

六五年二月十九日,Jim Peebles 完成計算,應邀到 Johns Hopkins 大學研討會上發表。消息經過兩位電射天文學家朋友數日後相傳來到,Penzias 立刻撥電話到普林斯頓。

Robert Dicke 放下聽筒後,轉身告訴辦公室裡每週例會共進午餐的團隊:「有人捷足先得」。

那是一個令人振奮的時刻。雖然團隊已預料將會無緣諾貝爾獎,Peebles 不記得 Dicke 有懊惱的表情。Penzias 和 Wilson 使用的微波接收器其實也是 Dicke 輻射計,錄得神秘訊號頻率在 4080 兆赫 ,代入黑體輻射算式,相等於絕對零度以上三度半,即是 3.5°K 的微波,和 Peebles 推算的 10°K 大致吻合,足以證實宇宙微波背景的存在,連同 Wilkison 稍後在不同頻率的探測,顯示和黑體輻射吻合。

兩個團隊「相逢恨晚」,兩個月後就同步在天體物理期刋發表兩篇里程碑來信。Penzias 和 Wilson 在 《於 4080 Mc/s 的過量天線溫度的測量》文中仍保持中立,將微波輻射「可能的解釋」指向普林斯頓團隊的《宇宙黑體輻射》。但 Robert Dicke 已開始轉軚,承認「若廣義相對論及和現時 3.5°K 代表的初始溫度皆正確⋯⋯就要排除宇宙永恒地重覆澎漲收縮週期的可能性」。

宇宙學由神話、猜想開始,至此將會成為一門嚴謹的科學,能作出可量度的預測,以證實或否定假說。其後半世紀,大爆炸宇宙論將會越竣完善,不斷迫近終極的創世始源。

「隨著宇宙微波背景輻射的偶然發現,科學宇宙學進入現代新紀元」— Steven Weinberg, “Physics: What We Do and Don’t Know” (2013)

人類朝向宇宙始源的探索,終於來到分水嶺,the rest is history, Big History

後記:終極對決的序幕

五十年前的發現,只是革命的開始。宇宙微波背景支持大爆炸創世論說,同時亦揭開科學與信仰在終極始源對決的序幕。

七八年十二月十日,兩位貝爾實驗室電射天文學家獲頒諾貝爾獎。在此不到一月前,Robert Dicke 來到康乃爾大學發表大爆炸演說,指出初生宇宙一秒時的澎漲速度必須不偏不倚地微調至關鍵值的百萬億分之一之內,否則宇宙早已崩塌,或星體現時已逃散至視界以外,留下銀河系獨守永恆的黑空。如何解釋這個遠遠超過人類想像極限的巧合,將會定奪人類探索來到時間的起源,是否最終還是要將第一因拱手交還造物者。Dicke 的演講座上一位年青粒子物理學家深感震撼,在日記上記下「宇宙平坦微調之迷」。一年後,Alan Guth 將會融匯 GUT 量子學說,得到暴漲論靈感,在宇宙原初——大暴炸的更早期——挑戰「無中生有」的終極科學難題。若最近 BICEP2 從南極州傳來的好消息得到獨立實驗重覆確認,證實宇宙微波背景在百萬分一分解度內藏有始源重力波圖象,支持暴漲論,Robert Dicke 將會再度成全另一位外行人奪取科學最高榮譽。

走筆至此,八九民運廿五週年將近,記得方勵之曾說過:「自從一九六五年發現微波背景輻射之後,宇宙學越來越物理化,開始吸引越來越多的物理學家從事這項研究,我們也就是這種被吸引者。可是這種純然物理的研究,卻被斥為『為宗教服務』、『搞偽科學』云云。」如今大歷史的弧線己伸廷到時間的源頭,希望人類將會譜寫一部共享的的現代創世記,走出愚昧的迷霧。

圖:David Christian 的大曆史課程網要,分八個階段,由大爆炸開始到農業及現代革命。

原本打算重溫整個大爆炸發展史,至 COBE 拍下完美黑體輻射分佈圖及 George Smoot 稱為「如見上帝」的全天細節圖為止,但進入歷史現場之後就沉迷在不為外人道的人物故事,不能自拔,唯有先寫下微波背景序幕。接下來的峰迴路轉,希望有機會再續。

閱讀推介

  1. Robert Wilson 在五十週年紀念活動憶述 CMBR 發現經過短片:”Discovering the Cosmic Microwave Background" with Robert Wilson
  2. Arno Penzias  親身講解大暴炸
  3. 維基百科選讀: Discovery of cosmic microwave background radiation, Cosmic microwave backgroundBig Bang,  及 Holmdel Horn Antenna
  4. 新科學人 Big bang birthday: Six mysteries of a cosmic bombshell,國立臺灣大學科學教育發展中心譯文《大爆炸紀念日:六個宇宙大爆炸的迷思
  5. 一本書讀通大爆炸,由暴漲論始創者 Alan Guth 執筆,第四章有 CMR 發現最詳盡叙述:Alan Guth, The Inflationary Universe: The Quest for A New Theory of Cosmic Origins, Basic Books, 1997.

  1. Lawrence Krauss, A Universe from Nothing, Free Press, January 2012, page 42. 中文版見蔡承志譯《無中生有的宇宙》台灣商州 2013 初版頁 81。
  2. 一幅一八五二年拿破崙幼弟舊照,令羅蘭·巴特慨嘆。「我看到一雙曾親見過皇帝的眼睛!」和別人說卻沒有共嗚,就不再提,開始探討攝影真諦。”…la vie est ainsi faite à coups de petites solitudes,” from Roland Barthes, La Chambre Clair: Note sur la Photographie, Gallimard, 21 février 1980, 13.
  3. 「某些人對上帝創造天地之前說三道四,上帝為那些膽敢追究如此高深命題的人,準備好了地獄。」——George Gamov 引述聖·奧古斯汀《懺悔錄》,方勵之轉述:《宇宙的創生》,凡異出版社 2002 年再版,頁 181。(筆者註:相信是誤引,並非奧古斯汀所言。)
  4. 宇宙微波背景里程碑報告之二:《於 4080 Mc/s 的過量天線溫度的測量》——Penzias, A.A.; R. W. Wilson (October 1965). "A Measurement of the Flux Density of CAS A At 4080 Mc/s". Astrophysical Journal Letters 142: 1149–1154. Bibcode:1965ApJ...142.1149P. doi:10.1086/148384
  5. Helge Kragh, Cosmology and Controversy: The Historical Development of Two Theories of the Universe. Princeton University Press,1999. Chapter 4.
  6. "Discovering the Cosmic Microwave Background" with Robert Wilson, Youtube, Feb. 20, 2014
  7. Jim Peebles, I was there at the birth of the big bang, New Scientist, 15 May 2014
  8. Alan Guth, The Inflationary Universe: The Quest for A New Theory of Cosmic Origins, Basic Books (1997), 179.
  9. 宇宙微波背景里程碑報告之一:《宇宙黑體輻射》:Dicke, R.H.; P. J. E. Peebles, P. J. Roll and D. T. Wilkinson (July 1965). "Cosmic Black-Body Radiation". Astrophysical Journal Letters 142: 414–419. Bibcode:1965ApJ...142..414D. doi:10.1086/148306
  10. 方勵之,《自然辦證法研究》一九八六年第五期

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