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講 題【科學史沙龍】半套雷達看懂宇宙?
講 者趙丰│中央研究院地球科學研究所特聘研究員
日 期2016/11/15長 度01:00:00人 氣42 次
摘 要
■雷達 (RADAR) 這個英文字,倒過來看一樣是雷達,正好反映了雷達主動發出波之後,還要等反射回來,才能了解對方的原理。物理學家如何運用這個原理,探索宇宙的實相?

在二十世紀初期,物理界有幾個懸而待決的問題:如何解釋觀測以太是否存在的邁克生-莫雷實驗 ( Michelson–Morley experiment) ?如何修正黑體輻射?原子光譜又是怎麼一回事?其實這幾個問題背後都是同一回事:電磁波的本質。任何溫度在絕對零度以上的物體,都會發出電磁波,這就是黑體輻射;至於在任何給定的溫度之下,黑體輻射的輻射率與頻率之間的關係,則由普朗克定律加以解釋。

從 1940 年代開始,物理學家開始揣想,黑體輻射能否用來解釋宇宙微波背景輻射 (CMB) ,並且紛紛提出預測值,從 50K 到 3K 都有(總歸來說,宇宙真的是一個非常冰冷的地方)。曾經在二戰時任職於麻省理工輻射實驗室的迪克 (Robert Dicke) 等人,更在 1960 年代提出宇宙微波背景輻射,就是大霹靂時殘留下來,年代最古老的光。然而他們這些理論物理學家預測歸預測,始終沒能真正觀測到有形有象的宇宙微波背景輻射,反倒是在貝爾電話公司服務的工程師彭齊亞斯 (Arno Penzias) 跟威爾遜 (Robert Wilson) ,為了排除接收通訊衛星訊號的天線,所收到來路不明但始終存在的背景噪音,意外發現了宇宙微波背景輻射,並且因此獲頒 1978 年的諾貝爾物理獎。

在地球上觀測宇宙微波背景輻射,必須要排除各種其他的輻射來源,所觀也僅侷限一地,因此 NASA 後來發射了專為探索宇宙論的宇宙背景探測者衛星 (COBE) ,在太空中對宇宙微波背景輻射進行精密的測量。主持這項計畫的斯穆特 (George Smoot) 跟馬瑟 (John C. Mather) ,因此成為 NASA 唯一獲頒諾貝爾物理獎的科學家。後來 NASA 再接再厲,在 2001 年發射威爾金森微波各向異性探測器 (WMAP) ,更精確地確認宇宙標準模型的各項參數;到了歐洲太空總署在 2009 年,發射普朗克探勘者號觀測衛星 (Planck Surveyor) 時,觀測的精確度又不可同日而語了。

雷達雖是戰爭需求的產物,不過也可以成為人類探索宇宙的利器。隨著雷達探勘技術的長足進步,人類對於宇宙穹蒼的認識,希望也能夠隨之更為提升。
提 供科學講古–科學史沙龍-科學史沙龍
本講座係由科技部補助舉辦
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