2014年11月3日

當量子遇上重力

要讓量子現象顯著,又要用上廣義相對論的時候並不多見,在黑洞的事件視界邊緣是一個例子,還有一個情形發生在宇宙最初階段──暴脹。

作者/曾耀寰(任職中研院天文所)

20世紀最重要的物理進展就屬相對論和量子物理。相對論包括狹義相對論和廣義相對論,而廣義相對論主要是和重力有關。愛因斯坦將重力現象看成是質能(質量∕能量)和空間的交互作用,質能改變空間的曲率,而彎曲的空間告訴質能如何行進。這種空間曲率改變在黑洞附近最明顯,主要原因是黑洞周圍的強重力場。而根據量子物理,在微觀範圍(例如原子分子)才有異於常規的量子現象(例如電子的干涉效應)。如果物體縮到史瓦西半徑(r2=2Gm/c2)的大小,其表面的逃脫速度等於光速,當物體繼續收縮,連光都無法逃離物體表面,於是就成為名符其實的黑洞。舉例來說,太陽若縮小到史瓦西半徑,就成為黑洞,但太陽的史瓦西半徑大約3公里,這大小還不到量子的範圍。因此若要量子遇上重力,就必須發生在一個物體縮小到黑洞的範圍,並且也是量子現象中的康卜吞波長範圍( λ=h/mc)。這種狀況下的長度尺度稱做卜朗克長度,該物體的質量尺度稱為卜朗克質量,而以光速行經卜朗克長度所需的時間稱為卜朗克時間,大約是10−44秒。

宇宙的暴脹
在宇宙最初形成的階段,尤其是在卜朗克時間內,是現今物理學家不甚明瞭的範圍,但在今年三月美國BICEP2團隊發表令人興奮的結果,他們在宇宙微波背景輻射(CMB)中觀測到B模偏振(B-mode polarization),這由重力波造成的B模偏振是暴脹理論的證據,對宇宙最初始階段的了解極其重要。參與該團隊的史丹佛大學郭兆林教授,是畢業自臺灣大學物理系,這是對國內學子積極參與基礎科學研究的一大鼓舞。

在現今的天文研究當中,除了在系外行星找到生命、直接偵測暗物質和暗能量外,尋找宇宙暴脹時期的重力波是另一項熱門的天文課題。找外星生命的重要性無須多說,直接偵測到暗物質則可能可以改變科學家對物質的了解,而暗能量可能對整個物理有所改觀,再加上證實暴脹的存在,任何一項都足以獲得諾貝爾桂冠。

科學家現在有近乎百分之百的把握認為宇宙是從大霹靂開始,隨時間不斷膨脹到現在的模樣,這主要由哈柏定律、宇宙微波背景輻射和氦豐度的觀測證據所證實。

BICEP
Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization
為一系列探測宇宙微波背景的實驗,主要測量宇宙微波背景輻射的偏振。實驗所使用的望遠鏡分為三代:BICEP1、BICEP2和BICEP3。
BICEP2是測量宇宙微波背景輻射光子和星系團相互作用的電波望遠鏡,位於南極洲阿蒙森-斯科特南極站。......【更詳細的內容,請參閱第539期科學月刊】

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