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時間與物質的角力:競逐諾貝爾物理獎的熱門團隊

研究物理的人一輩子都會走到一個重要的分岔路口:要往大尺度、浩瀚無垠的宇宙學發展?還是要投身微小卻精深的量子物理?2014年的諾貝爾物理獎目前呼聲最高的正好就是這兩組人馬。


宇宙形成的溯源──暴脹理論

宇宙太初之時是從一個小點突然之間暴脹開來,之後不斷膨脹至今。初期是一小團密度極高且極為炙熱的電漿,隨著體積不斷地膨脹,它的溫度便逐漸降低,經過140億年的膨脹及冷卻後,今天宇宙的溫度大約是絕對溫度3度(3K),相當於攝氏零下270度。


這個3K熱輻射背景被稱為「宇宙微波背景輻射」(Cosmic microwave background, CMB),像一部巨大的宇宙編年曆一般,隱藏著140億年前宇宙的真貌、大尺度結構、星系起源等資訊。而依據現在的物理理論,只要有日月星辰的存在,就會使CMB產生E模態偏振。

1980年,粒子物理學家古斯(Alan Guth)提出了「暴脹理論」。這個理論指出,在大霹靂後約10^-36~10^-32秒內,宇宙經歷了一段極為快速的膨脹。他亦解釋了宇宙學的數個難題,例如宇宙為什麼這麼老?為什麼如此均勻?而宇宙在暴脹過程中,擾動時空結構,形成了初始重力波,初始重力波則會讓CMB具有B模態偏振。

今年3月,位在南極的BICEP2望遠鏡研究團隊,避開了較強訊號來源的天體,首次觀測到B模態偏振,讓學界精神為之一振!其中畢業於台灣大學物理系、現為史丹佛大學助理教授的郭兆林也是團隊成員之一。

目前正等待歐洲太空總署的普朗克衛星的觀測數據回傳並分析,若是觀測結果吻合,才能完全證實暴脹理論。


物質從何而來?──超對稱理論

相較於暴脹理論對於時間的溯源,量子物理學家關心的是構成萬物的基本粒子為何?物質又是從何而來?

在他們心中,所有的粒子與作用力,應該都能用條理一貫的數學架構描述,標準模型是目前關於粒子與作用力的最佳理論,但它無法含括一些粒子的性質,因而亟需擴展論述。

2012年粒子實驗學家發現了眾人期盼已久的希格斯玻色子,解釋了為什麼某些基本粒子帶有質量,而某些基本粒子的質量為零?隔年諾貝爾物理獎頒給提出希格斯機制的比利時人翁勒(François Englert)與英國人希格斯(Peter W. Higgs)。

希格斯機制讓標準模型更加清晰,但超對稱才是更加完備的理論。它預測每個標準模型粒子都有其超伴子,而每一對粒子與其超伴子的性質皆
密切相關,這些粒子可以解決暗物質之謎。

物理學家希望在大強子對撞機(LHC)的實驗中發現超對稱的證據,然而至今還未發現任何一個超伴子。如果LHC在下一輪運轉時還是看不到證據,超對稱就麻煩大了,科學家可能要被迫放棄此理論,尋求新的解答。但要是真的找到了,諾貝爾物理獎也就勝券在望了。