我们能否理解宇宙是如何形成的?一位年轻科学家的解读

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作为探索科学前沿新领域系列报道的一部分,我们采访了非洲数学科学研究所的宇宙学专家雅贝巴尔·法耶(Yabebal Fantaye),了解他为何将研究重心投向寻找宇宙宇宙(微波)背景辐射中的异常现象。

你试图解决的核心难题是什么?

我一直试图寻找观测线索,以帮助我们理解大爆炸初期塑造宇宙初始阶段的物理过程,以及暗能量的本质。暗能量是一种难以捉摸的反引力类力量来源,作用于宇宙学尺度,其尺度远大于许多星系的总和。二十年前的实验证实了暗能量的存在,这些实验表明,宇宙不仅在膨胀(这一点自20世纪20年代末埃德温·哈勃的观测以来已为人所知),而且还在加速膨胀。要在宇宙学尺度上实现加速,占主导地位的引力必须被一种具有反引力性质的力量所超越。

。在标准物理学中,并不存在这样的来源,因此才被称为暗能量。

你试图运用什么核心思路来解决这一难题?

追踪宇宙微波背景中的异常现象。宇宙微波背景是最古老的电磁光,其旅程始于宇宙仅约40万年时的高能状态,随后因宇宙的膨胀而拉伸至低能微波波段。这一辐射充斥整个宇宙,决定了空旷空间的最低温度,仅为2.7开尔文!

自1965年偶然首次被探测到以来,宇宙微波背景数据为我们提供了关于宇宙的大部分知识。我参与的实验——欧洲航天局的普朗克卫星任务,以前所未有的灵敏度绘制了宇宙微波背景图,为我们提供了大量关于大爆炸的信息,进一步巩固了标准宇宙学模型,该模型认为宇宙约有138亿年的历史。然而,美国国家航空航天局WMAP卫星此前对宇宙微波背景数据的观测表明,存在无法用标准模型解释的异常现象。鉴于物理学中许多重大革命,包括广义相对论和量子物理学,都是通过解释和理解既有模型中的不一致与异常而产生的,我对进一步探究这些异常现象产生了兴趣。

普朗克卫星拍摄的早期宇宙图像,通过宇宙微波背景呈现。该图直观地说明了功率不对称异常:在最大尺度上,天空中位于灰线右侧的一半区域,其温度涨落比左侧更为剧烈。Image: 欧洲航天局及普朗克合作团队

这一探索历程中最困难、最具挑战性的部分是什么?

只有在排除统计涨落和系统误差这两种可能来源之后,异常现象才具有研究价值。排除系统误差的情形较为容易:只需证明同一异常现象在两个独立实验中、针对同一过程的观测中均存在即可。我们的情况正是如此——WMAP与普朗克卫星是两个独立的实验,其观测方式和仪器设计完全不同。真正困难的是证明这些异常并非源于统计涨落,而是与未知物理学相关,从而为学习新知识打开一扇机遇之窗。

人们最不知道、却最令人震惊的事实是什么?

宇宙学与粒子物理学之间的联系。大爆炸机制意味着:你所探测的尺度越大(大至整个宇宙),你就越接近其起源,而起源更多地受粒子物理学家所研究的动力学支配,即极小尺度。这是因为宇宙由一个微小的体积演化而来,其行为受量子世界的支配。

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