小提琴家真的内需一把古董小提琴吗,浴缸里有
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消息更新:6月19日,相关的研究论文在《物理学评论快报》上发表。BICEP2团队在论文中提供了证据,表明自己观测到的B模式极化信号有可能来自宇宙诞生最初瞬间的原初引力波。但同时,他们也无法排除另外一种可能性,即这一信号部分甚至完全来自于银河系内尘埃的干扰。要想明确证实宇宙经历过暴胀,还需要未来更多的观测数据支持。

图片 1微缩火车模型可以模拟真实世界里的火车,而物理学家正在使用的其他模型,可以模拟小到希格斯粒子,大到宇宙里的黑洞等我们无法真正触及的东西。图片来源:《新科学家》

古董小提琴真的比当代小提琴更好吗?两年前,克劳迪亚·弗里茨(Claudia Fritz)在美国《国家科学院院刊》(PNAS)上发表了一篇论文,指出在双盲条件下,实验者并不能区分新旧小提琴的差别。而在今年4月7日,这位来自法国皮埃尔和玛丽·居里大学(Université Pierre-et-Marie-Curie,又名巴黎第六大学)的小提琴专家又在这本学术期刊上发表了一篇结果与先前一致的论文,只是这次的实验设计更加严谨。

作为这次发现原初引力波的BICEP系列望远镜研究团队的成员之一,应果壳网的邀请匆匆写下这篇随笔,希望能够帮助大家了解如何通过观测“宇宙微波背景辐射”来探测宇宙诞生之初产生的引力波信号,理解这个发现对于人类认知宇宙的深远意义。当然,顺便讲讲发现历程背后的一点点故事。天文学的研究不仅仅是满足天文学家自己的好奇心。匆忙奔波的生活,偶然间听到关于这个宇宙中发生的新奇的事情,远离尘嚣,想象一下地球之外横跨亘古的变迁,或许你会觉得是一件有趣的事情。10年来忙于各种科研工作,除了最近给《科学美国人》(Scientific American)撰写了一篇有关银河系费米气泡的英文介绍外,还从来没有认真地写过中文的科普文章。时间有限,不妥之处请大家批评指正。这段引言是成文后加上的——对,就像科学论文总是最后撰写论文摘要一样——你往往会发现,计划写的和最终写出来的,很多时候并不是一回事情。

(文/Sophie Hebden)在这个地球上很多毫不起眼的角落,一间阁楼、一厢客房,或是一个储藏室里,你都能发现一套小型的火车玩具。对普通大众而言,这一套套月台上站着小人、铁轨旁还用染成绿色的泡沫树装饰起来的模型,虽然有些幼稚,但总是种无害的消遣。但对资深玩家(比如《生活大爆炸》里的谢耳朵)来说,它们可是正经事——你不仅可以乐在其中,而且一切细节体验都和真正的铁路相差无几。

图片 2为了完成新的实验,克劳迪亚·弗里茨(左)不仅设法找到了合适的音乐厅,还专门找来了钢琴伴奏。
摄影: Hubert Raguet/LightMediation

2014年3月17日,哈佛-史密松天体物理研究中心的菲利普报告厅内坐无虚席,成千上万的天文学家和公众通过网络直播焦急地等待着,等待着见证观测宇宙学又一个划时代的发现。中午12点整,项目负责人之一、我曾经的博士导师约翰·科瓦克(John Kovac)开始介绍首次发现的原初引力波信号的观测结果,以及专门设计建造的核心探测装置:第二代BICEP南极望远镜。

这种通过制作等比例微缩模型来探索和学习的方式,不仅是手工制作的灵魂所在,在物理实验室中也生生不息,因为很多物理学家想要探究的事物都在他们企及范围之外:他们无法自由摆弄高能粒子,也不能游走在黑洞边缘,更遑论再现宇宙诞生的最初景象。

好马配好鞍,十七世纪、十八世纪间意大利制琴师手工制作的名琴几乎成为了成功小提琴家的标配:著名小提琴家雅沙•海飞兹生前最常使用的是一把萨拉萨蒂曾用过的1742年制“瓜耐利”;大卫•奥伊斯特拉赫至少用过三把“斯特拉迪瓦里”;耶胡迪•梅纽因演奏过两把“斯特拉迪瓦里”、三把“瓜耐利”、一把“格兰奇诺”和一把“布塞托”;而弗里兹•克莱斯勒至少演奏过五把不同年代的“斯特拉迪瓦里”,其中包括一把胡贝尔曼曾经使用过的。而与小提琴“宗师”尼科罗•帕格尼尼一同令众生敬仰的,除了他鬼魅一般的琴技,还有那把“史诗级”的,绰号“大炮”的“瓜耐利”。

图片 3位于南极极点附近的第二代BICEP望远镜(右侧建筑楼顶的碗状物),捕捉到了宇宙诞生后最初瞬间留下的印迹。图片来源:Keith Vanderlinde/Handout/Reuters

因此在世界各地的实验台上,你都能见识到一些奇怪的戏法。要么用水波来制作黑洞,要么从液氦中造就希格斯粒子,这些就是所谓的“类比(analogues)”——可爱版的物理体系模型。人工打造出来的这些替代品,只要操控得法,就能运行得与本尊一模一样。它们承载着物理学家摆脱大型实验受条件和经费困扰的希望,正不断推进着我们对现实世界的理解。

之后的制琴匠似乎再做努力,也无法到达昔日的高度——人们总是觉得出自名家之手的小提琴听上去更动听一些。这样的“差异”也反映在了价格上:一把手工制作的小提琴,哪怕设计再合理、工艺再精良,只要它还是一把“新琴”,售价就总也赶不上“老琴”的零头。

不得不说,这是一个历史性的时刻。在不到一天的时间里,全球超过350万人尝试登陆哈佛网络直播平台,希望第一时间得知新闻发布会的细节,以至于哈佛完善的网络平台彻底崩溃——我想很少有一个科学发布会会引起几乎整个科学界甚至公众的震撼。作为宇宙中稀有的智慧生命的我们,窥探到了宇宙诞生后最初的一瞬间留给后人的信息——请相信我,作为智慧生命的种群,生活在这样的一个宇宙中,真的是一件非常幸福,更是幸运的事情。

这种触类旁通研究物理的方法实际上由来已久。从古希腊时代开始,纯思辨式的思想实验就一直被用于探索物理理论会导致什么样的结果,或者产生什么样的矛盾,这种习惯一直延续到今天的量子和相对论时代。近些年来,威力强大的计算机又开辟出一条模拟物理过程的新路,通过运行一行行代码,来探索各种现象下隐藏的数学规律。

图片 4"Il Cannone" Guarneri del Gesù, (1743):这门帕格尼尼用过的“大炮”自1851年起就成为了意大利热那亚市的财产。
图片:Il Ministero degli Affari Esteri, Italia

低调造访

就在新闻发布会的大约一周前,美国麻省理工学院教授阿兰·古斯(Alan Guth)收到一封电子邮件。内容大概是这样的:“尊敬的古斯教授,我们发现了一件有趣的事情,这个发现跟我的研究和你的研究都有关系。但是我还不能告诉你具体是什么内容。我希望能够尽快拜访你——这件事还是稍微有那么一点着急的,期盼你的回复。另外,出于保密的原因,请不要跟任何人提起我跟你联系见面这件事情,谢谢。”邮件的落款人,正是哈佛大学的约翰·科瓦克。

看到这封邮件,阿兰立刻猜到了可能会是什么事情。这是他盼望了30多年的一个信号,一个来自于宇宙诞生时候的关键信号。他在1980年提出过一个关于宇宙诞生时期的理论,而那个信号正是这一理论的关键预言!不过,在这个时候,快70岁的阿兰还没有想象的那么兴奋。

实际上,人们试图寻找这个信号已有多年时间,就算这个叫科瓦克的家伙声称看到了什么,估计也是那种好像“有点东西”,但又不那么确定的结果。就像两年前欧洲核子中心(CERN)发现希格斯粒子那样,最先他们看到的也只是一个3个sigma左右的信号。这是科学家用来判定结果在统计上是否靠谱的一种说法。用听得懂的中文来说,就是这个结果仍有千分之几的概率可能是错的。虽然听起来这已经是一个很小的数字,但其实科学史上出现过很多“号称”只有千分之几会错的东西,后来都证明是错的。人们往往会过于自信地估计他们寻找到的信号的真实性。所以,对于这种往往雷声大雨点小的信号,“久经考验”的阿兰已经习惯了。

见面被安排在第二天,麻省理工学院物理系古斯的办公室。出于保密的原因,穿着低调的科瓦克悄悄地进入物理系侧门,被人带到古斯办公室的后门。如果被人们看到行事低调、不常到麻省理工学院的科瓦克专程来找古斯,聪明的圈内人几乎都能猜到原因——他不希望泄露任何蛛丝马迹。科瓦克掏出他们准备发表的几近完成论文的样稿,古斯当时就惊呆了。

是的,这跟他当初想象的完全不一样,这不是一个3个sigma的信号,而是超过5个sigma——这意味着,统计上出错的概率只有大约千万分之一。按照传统的物理学发现的统计标准,“这就是一个发现,一个大发现!”阿兰激动万分,很长时间后才稍稍平静下来,开始询问科瓦克研究的细节。然后,他们开始商量如何把这个惊天的大发现公诸于世。

这就是后来科瓦克在新闻发布会上公布的结果:他们探测到了来自宇宙极早期暴胀过程产生的、宇宙微波背景辐射特殊的B模式极化信号。这个信号名字有点长,我们不妨简单称之为“B模式”。这是宇宙早期引力波存在的直接证据,是暴胀理论的关键性预言,其意义与发现宇宙加速膨胀一样具有里程碑式的意义!

图片 53月17日,美国哈佛-史密松天体物理中心召开新闻发布会,约翰·科瓦克(右1)宣布,他们探测到了来自宇宙极早期暴胀过程产生的、宇宙微波背景辐射特殊的B模式极化信号。图中科学家从右向左,依次为约翰·科瓦克、郭兆林(Chao-Lin Kuo)、杰米·博克(Jamie Bock)和克莱姆·派克(Clem Pryke)。图片来源:哈佛-史密松天体物理中心

那么,这个B模式信号到底是什么呢?让我们从宇宙微波背景辐射和宇宙暴胀理论谈起。

精确复制

但数值运算有它的局限。英国爱丁堡赫瑞瓦特大学的达妮埃莱·法乔(Daniele Faccio)说:“这些物理系统实际上还有很多未知之处,但在计算代码中,我们只能包含那些已知的东西。”类比就跟数值计算不同。由于数学是物理现象背后的通用语言,因此很多看上去毫不相干的领域都可以归结成同一批方程,只要找到两个按照同一套规则运作的物理体系,你就可以用一个来代替另一个,用满足相同数学规律的那些材料构建出你感兴趣的现象来。法乔解释说:“它与原系统肯定不完全相同,但比计算机模型要有趣的多。”

就以希格斯玻色子为例。这种粒子是标准模型缺失的最后一块拼图。标准模型解释了量子粒子之间如何通过自然界中的3种基本作用力进行相互作用。按照20世纪60年代浮现出来的一个想法,真空中实际上弥漫着一种看不见的场,即所谓希格斯场。这些场会不同程度地粘滞在基本粒子周围,赋予它们不同的质量。只要给这个场注入足够大的能量,去戳它一下,它就会更为真切地显现出来:我们会看到一个希格斯粒子跃出空无。

最终在2012年,瑞士日内瓦附近大型强子对撞机(LHC)的研究人员向世界宣告发现了这种粒子。之所以找寻过程旷日持久,是因为尽管我们知道需要很大的能量才能产生希格斯粒子,具体数值却无人知晓。最终,只能建造像LHC这样的庞然大物,从数十亿个高能粒子的对撞碎片中去嗅探它的蛛丝马迹。

不过,也可能是我们弄巧成拙了。就在上世纪60年代中期,理论物理学家刚开始讨论希格斯的想法之际,一个类似的点子已经在低温超导研究领域里传播多时了。在低温超导体这种奇特的物态中,两个电子之间的相互作用,以及它们和周围的原子晶格之间的相互作用,产生了一种奇妙的默契,最终形成了一种类似粒子的所谓库珀对(Cooper Pair)。这些库珀对能在晶格中毫无阻碍地移动,没有任何电阻。

这个奇迹只有当相应材料被冷却到非常接近绝对零度(-273℃)时才会显现,但它用到的数学描述与高能希格斯粒子的数学描述几乎一模一样。尽管要实现如此之低的温度也并非易事,但与粒子加速器比起来,那就是小巫见大巫了。因此,对超导体中等价过程的观测,也许能为真正的希格斯玻色子的产生过程提供关键线索。

人们花了点时间才认识到这一切。英国伦敦帝国理工学院的汤姆·基布尔(Tom Kibble)是1964年提出希格斯机制的6人之一,但他和同事当时都没预见到超导理论将要掀起的波澜。他回忆说:“我们当然都知道这种联想的存在,但当时我们没能很好地理解它,至少我没有。”

到了1981年,人们在超导体中确实观察到了类似希格斯粒子的身影。类似的故事又再次重演,人们只将这一发现当作了大餐后赠送的甜点——等到低温超导理论被完全建立起来,发现希格斯粒子的对应物被当成是对该理论的间接支持,仅此而已。与此同时,在粒子物理学领域,理论研究者却在拼命找寻一切实验证据,去验证这个质量起源理论。美国伊利诺斯州阿拉贡国家实验室的彼得·利特尔伍德(Peter Littlewood)就曾参与这些超导实验的解释工作。他说:“当时我们都没意识到,希格斯会变得如此重要。”

最终,真正的希格斯粒子没有借助任何来自超导的线索就被发现了。但在法国巴黎第七大学国家科学研究中心的玛丽-奥德·眉菘(Marie-Aude Méasson)看来,就在一切似乎就要尘落定之时,这种类比反倒柳暗花明起来。部分原因在于类似现象不断涌现,除了超导体之外,在冷却至相同量子态的超冷碱金属气体中,在某些类型的磁铁中,都有某些东西可类比于希格斯粒子。跨领域的会议和研究项目如雨后春笋一般冒出来,大家都急着交换想法。眉菘说:“随着这些范例的出现,很多研究者相信,在这些类比和粒子物理之间存在一块有待开垦的多产地带。”

图片 6通过“类比”这种研究方法,物理学家不需要大型强子对撞机之类的大型科研设备,就能对希格斯粒子等前沿物理问题提出独到的见解。图片来源:《新科学家》

可以想象,两年前克劳迪亚发表的“挑战常识”的实验结果招致了多大的反弹。在这位法国国家科学研究中心声学研究员的个人页面上,除了大量罗列的相关新闻报道,就是他们对各种批评的回应——从实验方法到样本数量,不一而足。小提琴家艾尔•卡利斯(Earl Carlyss)也明确表示这次研究中在酒店房间试琴的方法很不合适,小提琴应该在音乐厅里演奏,这种比较就像是在停车场中比较福特和法拉利一样。

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