宇宙从哪里来 第二章 果真有个开头(3)

2015-03-31 22:40:17
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那么,到底是什么事情驱使古斯想到这个怪想法的?据他自己说,在康奈尔大学期间,普林斯顿的物理学家罗伯特·迪基去康奈尔大学演讲,内容是关于宇宙学中的所谓空间平坦问题,这个问题引起了古斯的极大兴趣。

古斯解决的宇宙整体性问题并不是迪基嘴里的平坦问题,但非常类似。平坦问题是这样的:在一个晴朗以及风平浪静的日子,你在大海中逍遥,站在一艘游艇的甲板上眺望远方。你会发现,你能够看到的远方并不特别远,最远的海面形成一个圆,这个圆的半径只有五公里左右。事实上,我们常说的地平线或海平线就是这个圆。这个圆之内的海面当然是地球这个球面的一个极小的表面,原则上不是平的,是微微向上凸起的。但由于这个圆的半径只是地球半径的千分之一不到一点,因此看上去基本上是平的。迪基发现,宇宙越在早期,看上去越平,不论现在是不是平的。也就是说,万一宇宙不是平的,它的平整程度也像很小的一块海面。这是为什么?

迪基是一位传奇式的物理学家,别的不说,他是红外激光的发现者,同时又是微波背景辐射的预言者。微波背景辐射充满了宇宙空间,几乎无所不在,在研究宇宙的这帮家伙的眼里可重要了,我们后面再专门谈这件事。现在只提一点,上世纪六十年代,美国两位物理学家彭齐亚斯和威尔逊利用军队的雷达发现了微波背景辐射,并因为这个发现后来获得了诺贝尔物理学奖。他们发现这种莫名其妙的辐射的时候,完全不知道它是什么,是迪基等人告诉他们这可是宇宙大爆炸时遗留下来的古老东西,彭齐亚斯和威尔逊就此发表了一篇论文,迪基等人在同一期杂志发表了另一篇论文解释彭齐亚斯和威尔逊发现的是什么。事实上,在彭齐亚斯和威尔逊的发现之前,普林斯顿一个研究小组在迪基的领导下已经着手在天空搜寻微波背景辐射,可惜他们没够在彭齐亚斯和威尔逊之前找到,也就和诺贝尔奖无缘了。

  宇宙从哪里来 <wbr>第二章 <wbr>果真有个开头(3) (迪基少有的照片之一)

回到迪基在康奈尔大学的演讲。他在演讲中提出,不论今天的宇宙在空间上是否是弯曲的,它在早期的弯曲程度一定非常微小,否则宇宙不可能膨胀到今天这么大(超过八百亿光年)。宇宙学家们有一套简单易行的方法推算宇宙的演化,既可以从过去推算现在,也可以从现在推算过去。反正,这套方法告诉我们,无论现在宇宙的空间是否平坦,在开始的时候一定很平坦。

从这个具有远见卓识的迪基那里得知原来宇宙还存在这样一个有趣的问题,古斯就着手思考解决方案。方案就是我们前面说的暴涨,宇宙经过这个极短时间中的极大放大,不论开始时是否平坦,结束后一定就平坦了。他还顺便解决了宇宙的整体性问题。 

古斯在康纳尔大学做博士后研究期间,有一位美籍华人物理学家在那个大学做助理教授,也就说他比古斯稍微资深一点,但年纪并不资深,其实他俩出生在同一年,都是1947年。这人就是戴自海,来自于香港,更早的时候来自于上海。古斯和戴自海一样大,但出生地相隔遥远。古斯出生在新泽西州的新布伦斯维克,戴自海出生在上海。戴老师现在大部分时间生活在香港,在香港科技大学主持高等研究院,常常往来与香港美国之间,也常常往来于香港大陆之间。戴老师那时也研究粒子物理学,也十分了解大统一理论。他对古斯建议,不妨看看他的暴涨论能否解决所谓磁单极问题。

 宇宙从哪里来 <wbr>第二章 <wbr>果真有个开头(3)  

(多年以后,戴自海老师回到香港,执掌香港科技大学的高等研究院,又称赛马会高等研究院,因为那栋漂亮的俯视海湾的大楼好似赛马会捐的)

也许戴老师不仅建议用暴涨理论解决磁单极问题,甚至还最早参与了暴涨理论的提出,可是为什么古斯那篇著名的论文中没有戴老师的署名?待我们解释过磁单极子问题再说这件有趣的事。 

磁单极是非常吸引那时的理论物理学家的课题,这是因为,在我们的日常经验中,谁也没有见过磁单极,但大统一理论却预言了磁单极应该存在。

简单地说,相应于电场,电荷可以看成是电场的产生者。那么磁场呢,不也应该产生于磁荷吗?早在十九世纪,物理学家如奥斯特、法拉第发现电流的周围存在磁场,但这些磁场和电荷产生的电场不一样,如果你顺着磁场的方向走,总会走一圈回到原来的地方。如果电场是一个电荷产生的,你顺着电场的方向走,往往越走越远,不会回到原来的地方。这是为什么?很简单,磁场不是磁荷产生的,而是电流或磁铁产生的,这些东西不是磁荷,却可以近似看成磁荷和反磁荷组成的双极(南极和北极总是同时存在)。普通人和物理学家从来没有见过磁荷,哪怕是在远离地球的太空中也没有见过磁荷。换句话说,在自然界中,不存在单独的磁荷即磁单极,只存在磁双极,磁荷和反磁荷难分难解。 

大统一理论预言了单个磁荷的存在,这就是物理学家嘴里的磁单极。既然宇宙有一个开端,并且在开头的时候温度极高,什么东西都存在,那么磁单极也会存在。可是,现在却没有人见过磁单极,不像电子和质子,到处可见。这是为什么?难道大统一理论与宇宙大爆炸理论完全不相容?或者,大统一理论完全是错的?

戴自海老师不觉得大统一理论有问题,问题一定出在我们对宇宙的开端的理解上面。我虽然认识戴老师,却从来没有勇气去询问当时发生了什么。到底是古斯有了暴涨的想法后立刻找到了戴老师,还是古斯在完善了他的理论后才找到了戴老师。反正,戴老师认为,古斯的理论恰好解释了为什么我们今天几乎不可能找到磁单极。

 (谢谢打赏鼓励)

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名家简介
李淼简介:
男,1962年10月出生。中国科学技术大学交叉学科理论研究中心教授,研究方向包括超弦理论、量子引力等。
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