作者:内布拉斯加大学林肯分校的斯科特·施拉格
宇宙不到40万年时的宇宙背景辐射图
颜色表示温度的微小变化
信用:美国宇航局/世界气象卫星计划科学小组 通过证实半个世纪前首次提出的某些光散射动力学，内布拉斯加大学林肯分校的物理学家们正以全新的眼光看待近140亿年前宇宙大爆炸点燃的宇宙诞生烟火
借助内布拉斯加州极光实验室的超强激光和杨百翰大学同事们的聪明才智，哈士奇的研究人员通过实验证明了光从电子散射时会有多么奇怪的行为
在描述这种行为时，他们也可能让宇宙学家有理由重新考虑所谓的宇宙微波背景的各个方面:大爆炸期间产生的电磁辐射，它携带着宇宙起源的线索，同时继续穿过宇宙
利兰J
多萝西·H
内布拉斯加大学奥尔森物理学教授
“今天在实验室进行的一项实验可以阐明对几十亿年前发生在宇宙中的现象的理解
" 研究人员将他们的注意力和他们的激光指向一种被称为汤姆逊散射的基本现象，这种现象始于一束光或光子撞击自由电子
在较低强度的线性汤姆逊散射中，电子有效地以光接近的相同频率散射光
在这种情况下，接近电子的红光同样会以红光的形式散射出去
但是Umstadter，Colton Fruhling和他的公司对非线性汤姆逊散射更感兴趣——一种更高强度的多光子形式，其中光以比它进入时更高的能量和频率离开
红光不是以同样的颜色散射，而是以黄色、绿色和蓝色或电磁波谱上不可见的频率散射
物理学家早就确定了光的偏振——周围电场的方向——会影响非线性汤姆逊散射的结果
当极化本身是线性的，因此电场只上下或左右振荡时，电子就走上一条8字形轨迹，然后改变它发射的光的极化
圆偏振光以顺时针或逆时针旋转的电场为特征，产生螺旋状的电子轨迹和独特的散射偏振
这两个病例及其结果，之前都在实验室中得到证实
椭圆偏振要复杂得多，也是非线性汤姆逊散射中从未测量过的，它类似于圆形偏振，只是电场的大小随着每旋转90度而波动，所以它的边缘是椭圆的形状，而不是圆形
这种“中间”偏振，虽然是汤姆逊散射长期理论框架的一部分，却成为了极限光实验室的实验焦点
“这个理论大部分已经有50年的历史了，”Fruhling说，他在毕业并获得普渡大学博士后任命之前，曾作为内布拉斯加州的博士生领导这项研究
“但仅仅因为它在教科书中，并不意味着它是一成不变的
课本上的很多东西都是错的
" 首先，极光实验室必须应对修改标准实验装置的挑战，使其能够容纳研究小组想要向电子发射的椭圆偏振激光脉冲
与此同时，BYU的贾斯汀·皮特罗斯、迈克尔·威尔和他的同事们正忙于制造一种一次只能探测一个光子的仪器
弗鲁林说，后者对于消除其他变量的混杂影响至关重要
“我们想只看到汤姆逊散射光，这很有挑战性，因为与强激光产生的其他光相比，汤姆逊散射的概率实际上非常小，”弗鲁林说
“从电子散射光子就像两颗子弹相互碰撞，但它们非常非常小
你做的时候被蒙住了眼睛，所以你只是随机射击，只有一次击中的机会
" 当眼罩摘下时，研究人员发现有很多东西需要筛选
举例来说，他们证实了被高强度脉冲击中的电子采用了与击中它们的光线平行的来回轨迹——这是仅在非线性汤姆逊散射中观察到的一个怪癖
椭圆偏振高强度光触发的独特电子轨迹也有助于解释观察到的辐射模式，该模式与研究小组在实验前进行的模拟相一致
这种辐射模式类似于一个大胆的圆形X——基本上介于线性偏振产生的四瓣花朵模式和椭圆偏振变成圆形的圆形正方形之间
根据从现有理论推导出的一些方程，电子轨迹的唯一性同样有助于解释当电子被足够强度的椭圆偏振光击中时表现出来的“非常奇怪的电场”
谈到电场，弗鲁林说:“它会跳来跳去，弯弯曲曲。”
非线性思维 尤其是电场的独特性，可能会产生远比弗鲁林当时想象的更大的影响
弗鲁林说:“直到唐给我发了一篇论文，我才意识到这个具有宇宙微波背景的应用。”
这篇论文展示了宇宙学家用来分析宇宙微波背景并从中得出见解的计算方法
其中一些计算的核心:辐射的偏振
大部分极化是在大爆炸后不到40万年通过与电子或其他带电粒子的碰撞建立起来的，并在大约140亿年后保留在辐射中
然而，当乌姆斯塔特开始学习时，宇宙学家的计算通常假设大爆炸后的散射本质上是线性的
他说，这一假设可能会让宇宙学家在分析宇宙最早辐射的极化特征时误入歧途
Umstadter说:“在解释最近对宇宙微波背景偏振态的测量时，需要考虑我们的结果——这些测量被用来测试宇宙学理论——因为它们表明，即使是轻微的非线性也能显著改变散射辐射的偏振。”
“所以你可能会错误地解释数据，”弗鲁林说
“在我看来，也许你应该把非线性部分包括在那些计算中，这似乎是合理的，据我所知，目前还没有这样做
" 弗鲁林并没有声称知道包容会或不会带来多大的不同
但他说，即使这些发现的影响比反叛性更温和，它们也说明了探索科学的一个重要现实
“在科学中，通常你只是寻找一些有趣的东西，然后动机就来了:这对其他结果有什么影响？”
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