宇宙的邪恶轴心（下）（转载）

宇宙的邪恶轴心（下）
科学松鼠会    发表于2010年04月12日 11:00 阅读(1287) 评论(0) 分类：各向异性
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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，这一结果并没有得到WMAP小组的支持。理由是除了WMAP小组，还有Planck小组和另外一组科学家曾独立分析过 WMAP的差分数据，他们的结果和WMAP小组的结果完全相同。根据菲克森定律（英文拼写未知），李的小组获得的结果应该不可靠。菲克森定律是说，“一个理论物理学家所得到的结果往往只有他自己一个人相信”，而“一个实验物理学家所得到的结果往往只有他自己一个人不相信”。现在的情况并不符合“李惕培等人的结果只有他们自己不相信”，所以实在是不靠谱啊。
大家也许会觉得菲克森定律是在开玩笑，其实也是有一定道理。主流学术界奉行的是“同行评价”体系：同行说你靠谱，你就是靠谱；同行说你不靠谱，你就不靠谱。例如理论物理学界有个网站叫做预印本库，大家写出来论文可以先上传到那儿，供同行评价。如果有民科言论试图吸引大家的眼球，那么就像BBS一样很快会有管理人员停P删账号。广为流传的一个故事是，欧洲有个诺贝尔奖获得者由于发表民科言论，被禁止在预印本库上传论文……
在欧美等学术大国的同行看来，中国从来没发射过探测CMB的卫星，技术水平很落后。实验技术水平落后意味着科学学术水平的全面落后，因为第一手的数据掌握在外国人手里，就只能等老外吃完了肉之后喝点儿汤。也许还有一个原因就是，从中国频繁爆出的学术造假丑闻来看，其科学界有相当多的不靠谱因素。最后，就算你们中国小组所有的一切都靠谱，难道还会比我们集中了全球各领域百位顶级专家的WMAP小组、Planck小组还靠谱吗？
LHC的美国表哥 SSC就是因为得不到后续资金，最终未能问世（1993年计划终止），使得人类探索宇宙奥秘的进度推迟了十几年。同时也使得理论物理学界本该“灭绝”的理论又多活了许多年。
退一万步讲，即使中国小组的结果真的有可取之处，也不能轻易下结论。要知道这年头经济不景气，向纳税人要钱可是越来越困难了。一旦推翻了WMAP小组原来的结论，那么就意味着这7年来建立在这个结果上的一切科研成果都不可靠。纳税人知道了会很生气，后果很严重。万一给纳税人留下心理阴影，以后要钱更困难了怎么办呢？因此，本来WMAP小组曾经给予李惕培小组热情的帮助，但李惕培和刘浩公布自己的结果之后，WMAP小组的专家们就再也不回邮件了……
差之毫厘，谬以千里
如果是李惕培和刘浩错了怎么办？李惕培对此相当谦虚：错了没关系，算是给我们一个教训。我们国家早晚也是要有探测器上天的，如果我们确实犯了错，那么可以给后人提个醒，少走点儿弯路。
在同外国同行的学术交流中，李惕培也同样是这个态度。Planck小组的Freeman等人在Planck卫星传回数据之前，曾组织人手独立的复算了WMAP的结果，算是一次“学术演习”。李惕培问他，能否我们两个小组交换程序代码，互相检查一下哪儿有异常？Freeman回答，我们的程序不给你们看，因为我们肯定是对的。如果你们的程序给我看，我很愿意帮你们纠错。“那就给你看，欢迎你来纠错”，李惕培院士谦虚的说。
在长达数月的交流中，Freeman和李惕培的小组共同发现，他们用于分析WMAP数据的程序的功能几乎完全相同，除了一个用于分析探测器运动的四元数（Quaternion）程序（参加Fujia对四元数的介绍）存在极微小的差异。李惕培问：“你们的四元数程序是谁写的？”
Freeman：“我们……所有的程序都是自己写的。四元数程序是问WMAP的哥们要来的。”
李惕培：“那你们这个不应该算是独立完成。”
Freeman：“呃……”
分歧的原因变得更加明朗，就出在四元数的程序上。可是，两组四元数程序的差异非常小，只有WMAP分辨率的半个像素，为什么反映在微波背景辐射的温度谱上之后就变的显著了呢？
原来，四元数程序被工程物理学家用于分析WMAP在三维空间中的运动。由于多普勒效应，WMAP的运动会实时地在CMB的温度谱上叠加一个额外的偶极矩。也就是一个方向热一些，一个方向冷一些。计算实际的温度谱时应该完全扣除这个偶极矩。可由于CMB的温度太低，信号太弱，实际上这个偶极矩的噪声比 CMB的信号强数十倍。因此，去除噪声时出现的微小误差，对于实际信号的影响会非常可观。
将差分数据还原成温度谱，得到的是一个“二极矩”的噪声
扣除这个由观测者运动导致的多普勒效应和背景恒星等噪声，才能得到CMB的信号
李惕培和刘浩顺着这个线索研究下去，发现了更加吃惊的结果。原来我们前文提到WMAP 的两个时钟竟然没有校准！两者相差了20多毫秒，这才导致差分数据和天空的对应差了半个像素。此外，WMAP的天线对于天空各个方向的扫描次数和得到的平均温度竟然存在相关性。由于太阳光过于强烈，WMAP的天线扫描天空时总是有意的避开它，以提高观测效率。因此，天线对黄道外的天空扫描的次数总是比黄道上多。假如扫描次数和得到的平均温度真的存在相关性的话，那么四极矩和八极矩的轴心指向黄道上的室女座就合情合理了。
WMAP的两个天线一直在地球的影子里转圈圈
但是要转六个月的圈圈才能将天空完整的扫描下来
分歧的原因终于变得清晰起来。李惕培和刘浩终于得出了结论：宇宙的邪恶轴心并不存在。温度谱的四极矩完全是由去除偶极矩噪声时产生的误差引起的。修正这个误差之后，四极矩在一定精度上应该完全消失，八极矩也有显著减弱。这意味着同标准宇宙学模型的理论预期相差更远，也许后者才是值得怀疑的地方。同时，根据李惕培和刘浩生成的WMAP的温度谱，暗能量和暗物质占宇宙总能量的比例也有改变。暗能量从WMAP小组所公布的74%下降到了68%，而暗物质从22%上升到了28%。他们在论文中声称，这个结果与WMAP小组的结果相比，同其他观测结果，如“飞镖”球载望远镜，重子振荡，Ia型超新星等符合的更好。因此，李惕培和刘浩对他们小组的结果充满了信心。
尾声
宇宙邪恶轴心的故事到此告一段落，结局会是什么，现在下结论还为时尚早。
李惕培和刘浩的论文上传到预印本库后，一开始并没有引起太多的关注。直到2010年2月的一次国际学术会议上，李惕培才得到和WMAP小组成员面对面的机会，但是WMAP小组的领导人Hinshaw并没有如期出现。跑得了和尚跑不了庙，在今年秋季即将举行的一次学术会议上，Hinshaw和李惕培同时名列邀请名单上。希望无论事情怎样发展，这次迟来的会面都将会带给我们不斐的收获。
Planck卫星传输回第一批数据之后，在互联网上发布了一张模糊的照片。刘浩把照片的颜色信息转换为温度后一比较，发现跟他们小组的结果吻合的很好[2]。这让他们更加坚定了信心。
Planck已经开始了它的工作
Planck小组的研究人员知道这个消息后显得更加谨慎，他们并不支持在最终结果出炉之前发表任何评论。WMAP小组的结果遭到了挑战，使得 Planck小组不得不格外小心。在这个科学问题上，他们既要成为评判两方观点的裁判，又要防止自己遭遇类似的挑战。因此，有人说看到Planck小组开组会时增强了安保工作：严禁组外友人打酱油，拉上全部窗帘，说话尽量放低声音。
在探索科学的道路上，谬误在所难免。谬误不是科学的终结！谬误，是科学的新生！
注[2]：也许吻合的好正是因为图片的模糊，笔者并没有具体考虑过这个问题。请参阅参考文献。
参考文献[1]：李惕培院士的学术报告
[2]：’Axis of evil’ a cause for cosmic concern, New Scientist
[3]：arXiv:1003.1073v2
[4]：PhysRevD, 69, 063516
[5]：（及图片来源）WMAP的官方网站
[6]：维基百科
科学编辑：Shea