宇宙的邪恶轴心.doc

宇宙的邪恶轴心人类从宇宙中获得的绝大部分信息来自于光人类从宇宙中获得的最古老的信息来自于宇宙中最古老的光这缕最古老的光有个专门的名字，叫做微波背景辐射（Cosmic Microwave Background 简称CMB）微波背景辐射给我们讲述了宇宙小时候的许多故事，其中最诡异的故事莫过于宇宙的邪恶轴心了宇宙的“第一缕光”故事是这样的我们的宇宙一直在膨胀啊膨胀，已经近137亿岁了如果逆着时间之河的方向去看宇宙的小时候，我们会发现，那时所有的物质应该都挤在很小的一片区域内宇宙的年龄越小的时候，宇宙的“体积”就越小，物质被挤压的越紧密，那时宇宙的温度也就越高如果再顺着这个逻辑推导下去，那么我们不得不认为宇宙诞生于一次“大爆炸”美剧《The Big Bang Theory》的片头曲就是这么唱的：“Our whole universe was in a hot dense state, Then nearly fourteen billion years ago expansion started. Wait…”（我们的宇宙曾处于炎热致密的状态， 然后大约一百四十亿年前它开始膨胀 等一下…… ）宇宙诞生之后，先是经历了一段不为人知的量子时期，然后是加速膨胀的暴胀时期（见《娶不到媳妇怨宇宙》）。

暴胀结束之后的一瞬间，宇宙是一锅高温的基本粒子汤，还没有形成原子经过了“最初三分钟”的原初核合成的过程，宇宙的化学元素组成才比较接近我们今天看到的模样大爆炸之后的宇宙，宇宙处于红线部分时发出的光事实上是无法到达地球的因此，最“古老”的光应该在这之后出现本图片来自“宇宙学中你需要知道的五件事情”）那时候宇宙的温度仍然有几万K，比现在太阳表面的温度（约6000K）还要高这么高的温度自然要伴随着强烈的发光过程由于温度很高，发出的光的能量也很高，“寿命”也就很短：还没跑出多远，很快就被附近的原子（主要是氢和氦）吸收，使后者都电离成原子核和电子了随着宇宙的膨胀，温度越来越低，宇宙中高能光子的比例渐渐减少，而低能光子的比例却渐渐增多了在宇宙大约38万岁时（仍然是幼儿时期），宇宙的温度降低到了约3000K此时的高能光子寥寥无几，而低能光子又没有足够的能量再把中性原子拆散成原子核和电子了从此，中性原子们“无视”了低能光子的存在，任由它们在宇宙中自由穿行，这才有了宇宙的“第一缕光”[1]WMAP——“第一缕光”的微波照相机 “第一缕光”发出时宇宙的温度有3000K要知道把加热到1000K的铁就已经能发出暗红色的光来，3000K宇宙背景还不把黑夜照的跟白昼一样？可是从38万岁到现在的一百多亿年间，宇宙的尺度变大了1100多倍，这些在宇宙中旅行的光的波长也像房价一样被拉长了1100多倍。

波长所对应的温度也有原来的3000K降低到了2.725K，仅仅比绝对零度高出一点点人类懂得仰望星空时，宇宙的“第一缕光”早已成为“嘶嘶”的微波背景辐射因此，当美国贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊在1964年惊奇的发现，天空中存在各向同性的，不随时间和季节变化的微波噪声时，他们最自然的想法是天线上的鸟粪和鸽子窝在作怪宇宙的尺度膨胀多少倍，宇宙光波的波长就膨胀多少倍——当然，光波的能量也就随之降低多少倍来源同上）为了获取宇宙留给我们的最古老的信息，科学家们准备了许多“微波照相机”例如，1989年11月，宇宙微波背景探测器（Cosmic Background Explorer，简称COBE）由NASA发射升空1998年和2003年，“飞镖”球载望远镜（Boomerang）乘坐热气球两次在南极洲升空2001年6月，威尔金森微波各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，简称WMAP）由NASA发射升空2009年5月，普朗克巡天者（Planck）由欧洲空间局和NASA共同发射升空到目前为止，已成功发回数据的“微波照相机”中，精确度最高，影响力最大的当属WMAP了。

David Todd Wilkinson，1935-2002WMAP的名字是这么一回事在彭齐亚斯和威尔逊正为了鸟粪和鸽子窝而犯迷糊时，美国的天文学家威尔金森等人已经试图着手探测微波背景辐射了得知彭齐亚斯和威尔逊发现天线有微波噪声的事情之后，威尔金森等人撰文指出，不用擦鸟粪掏鸽子窝了，噪声的来源不是它们，而是宇宙1978年，彭齐亚斯和威尔逊被授予诺贝尔物理学奖，其中威尔金森等人的解释性工作功不可没为了纪念威尔金森这位伟大先驱者，探测器就以他的名字命名WMAP是为了继它的前任COBE之后，以更高的精度来探测微波背景辐射的各向异性，所以叫做各向异性探测器宇宙学家们认为，既然我们的宇宙已经形成了恒星、星系、星系团等结构，就说明宇宙小时候，物质的分布不是绝对均匀的这里多一点点，那里少一点点，这样由于万有引力和宇宙膨胀的共同作用，才能形成宇宙今天的样子既然微波背景辐射是宇宙小时候的第一张“照片”，那么这个原初的不均匀性就应该在照片上有所体现也就是说，我们探测到的微波背景辐射应该是这里热一点点，那里冷一点点，否则，宇宙现在就不可能是这个样子1992年，COBE发回的数据证实，微波背景辐射确实存在各向异性，这个温度的涨落大约在十万分之五，正好符合宇宙学的预期。

2006年，COBE小组领导人的斯穆特（Smoot）和马瑟（Mather）获得诺贝尔物理学奖三代探测器的精度对比，从上往下依次是，Horn，COBE，WMAP中间的高温主要来自于银河系COBE圆满的完成了任务，那么比它分辨率更高，灵敏度更高的WMAP又为我们带回了什么新的信息呢？故事讲到这儿，宇宙的邪恶轴心（axis of evil）要出场了四极矩、八极矩和邪恶轴心 2001年，WMAP上天，2003年，WMAP小组第一篇数据分析报告出炉了2005年，2009年，随着WMAP数据的日积月累，WMAP小组又陆续发表了多篇分析报告科学家们从WMAP小组发布的温度谱和功率谱中发现，CMB的各向异性大体上符合理论预期，但是四极矩和八极矩的数值偏低而且，四极矩和八极矩的轴心几乎指向同一个方向：室女座（Virgo）和绝大多数信号一样，微波背景辐射的信号看起来也是杂乱无章，似乎毫无规律可言为了分析它，物理学家将其中不同频率的部分“提取”出来，叫做球谐函数展开球谐频率的高低用字母l表示，l=0时频率最低，叫做单极子（monopole）,l=1时叫偶极矩（dipole），然后是四极矩（quadrupole），八极矩（octopole），十六极矩（hexpole）……再往后就只能用l的大小来表示了。

从WMAP数据中生成的四极矩从WMAP数据中生成的八极矩在WMAP小组的数据分析中，l的数值至少分析到了1000以上因此，四极矩算是其中的低频信号八极矩的频率略高于四极矩，也属于低频信号不确切的说，四极矩的信号应该是这两大片区域热一些，那两大片区域冷一些；而八极矩的信号就是这四小片区域热一些，那四小片区域冷一些[见维基百科的动画]每一组频率的信号的冷热交替都有特定的“对称轴”不同频率的信号的轴心方向之间应该没有关联，你走你的阳关道，我走我的独木桥可是在WMAP的数据分析结果当中，四极矩和八极矩串通起来给物理学家出难题，它们的振幅不但远远低于理论预期，还同时指向室女座这看起来有些不可思议，仿佛宇宙学的各项同性假设被破坏了，宇宙中凭空多出来一个特殊方向室女座更加邪恶的是，这个特殊方向所指的室女座方向，位于黄道面上我们都知道地球绕着太阳转，如果以地球为参照系，也可以认为太阳绕着地球转，而黄道就是太阳的“公转轨道”也就是说，一百多亿年前宇宙发出的“第一缕光”，就已经“预知”一百多亿年后，它所包含的万亿颗恒星当中，有一颗叫做“太阳”的恒星与众不同第一缕光”决定降低四极矩和八极矩的振幅，并使它们的轴心同“太阳”的轨道平面方向保持一致……于是，一群充满正义感的物理学家把这个现象叫做宇宙的邪恶轴心。

从宇宙学标准模型的意义上讲，发生这样事件的概率是1/24000，几乎没有可能发生既然已经发生了，就要认认真真的找个理由来解释这时，我想起高中做英语阅读理解时，有个同学很擅长解释答案的合理性比如当他解释完为什么应该选A时，有人发现标准答案是B，于是，他马上就能解释为什么B比其他选项更合理假如老师宣布答案印错了，应该是C，他又能列出一堆理由来解释选C的理由后来我才明白，这位同学有研究理论物理的潜质！物理学中的理论又有点儿像地球上的各种生物，千奇百怪层出不穷等实验结果一出炉，99%的理论都“灭绝”了，只剩下少数理论还能勉强支撑当人们逐渐发现，硕果仅存的理论仍然同进一步的实验结果有矛盾时，理论家们又在这些理论的基础上“培育”出具有不同“突变”的后代于是，理论物理的生物圈又一次欣欣向荣，直到下一次“大灭绝”的来临说明：古代物理学的理论大都灭绝了，例如亚里士多德的引力理论，地心说等等）面对宇宙邪恶轴心的挑战，物理学家们大体上分为三派第一派，是以WMAP小组的领导人Hinshaw为代表的哈哈派，在这个问题上含糊其辞，既不否定也不肯定，像是打哈哈说官话这其实体现了他们谨慎的学术作风第二派，是以Contalti和Longo等人为首的附和派。

他们或者声称观察到300多个类星体围绕着邪恶轴心分布，或者说观察到1600多个旋涡星系的旋转轴也指向邪恶轴心用来解释邪恶轴心存在原因的理论更加匪夷所思，例如说宇宙存在奇异的拓扑结构，或者说暴胀理论的原初密度扰动存在一种截断，或者干脆搬出弦论等重型武器……这多么像是在做英语的阅读理解啊！ 那么第三派的观点是什么呢？请看下集批判派——WMAP小组的挑战者宇宙的邪恶轴心究竟存在吗？以中科院李惕培院士，和他的学生刘浩博士为代表的批判派坚决说不话说早在2003年，WMAP小组发布的第一篇数据分析报告一出炉，就引起了李惕培院士的怀疑于是，当刘浩要报考他的博士生时，他对刘浩说，我很想重新分析WMAP的所有数据，你愿意跟我一起做这个工作吗？这将是一条艰难的道路仅凭我们两个人的力量要跟踪WMAP整个小组各方面顶级专家的工作，风险实在是很大即使数年之后我们成功了，一时半会也不会得到主流物理学界的认同刘浩毫不犹豫的答应了WMAP的天线示意图刘浩发现，WMAP传回的数据并不是微波背景辐射的温度谱，而是两根夹角141°的天线产生的差分数据差分数据是什么呢？打个比方，已知小朋友的平均身高是141厘米，要测量几个小朋友的身高分布。

有一种办法是一个一个的直接测量，另一种办法是测得小明比小华高5厘米，小华比小龙矮3厘米，小龙比小强高7厘米……根据这样的差分数据，就能得到每个小朋友的原始身高物理学的测量中经常采用这种差分的办法，这样可以省去不同条件下对实验仪器基准点的反复调试要想从WMAP测得的差分数据获得温度谱，还需要知道每一组差分数据对应的是天空中的哪两点WMAP上有一个专门的时钟用来记录每组数据对应的时刻，还有一个时钟用来记录WMAP的运动状态这样，刘浩需要自己编写一系列电脑程序，根据每一时刻WMAP的位置，速度和姿态，来确定每一组数据的归属然后再由获得的时序数据（Time Ordered Data）产生微波背景辐射的温度谱功夫不负有心人，经过了五六年的艰苦研究，李惕培和刘浩等人发现，由他们自己编写的数据分析程序得到的温度谱和WMAP有所不同，其中最大的不同在于他们发现温度谱的四极矩几乎消失了，而八极矩也有显著的减弱如果这个结果是对的话，至少解决了宇宙邪恶轴心的问题——四极矩真的消失了的话，那八极矩跟谁狼狈为奸呢？那么宇宙中就不应该存在特殊的方向，宇宙学的各项同性原理就得到了保护菲克森定律 不出李惕培院士的意料，这一。