探索大爆炸“涟漪”之谜

宇宙时空中的引力波让我们有机会一窥遥远过去宇宙大爆炸瞬间发生的事情。原始引力波的发现如果能得以证实，将在整个科学领域内产生涟漪效应。引力波的存在支持了一些非常关键的预测，例如宇宙是如何开始和运作的，并为将现代物理学的两个基础理论合二为一提供了一线希望。

引力波预测成为现实

大质量天体加速穿越时空结构时引起空间动荡产生的涟漪就叫作引力波，很早以前爱因斯坦广义相对论的成功理论就已经预测到了引力波的存在，尽管它们从未被直接探测到。

近日，美国科学家宣布，利用BICEP2射电望远镜在南极首次探测到了引力波存在的明显标志，在宇宙大爆炸后发出的最早一束光线中发现了引力波的存在。引力波产生的独特漩涡形状比人们预期的更为明显，因为之前的模型表明，宇宙早期产生的引力波非常微弱，甚至有可能弱到根本探测不到。

研究团队花了3年时间排除了其他可能的解释，例如，我们所在的银河系的尘埃、更遥远星系的引力引起的空间扭曲，以及望远镜本身的问题等。根据网上近日发表的论文，这个观测结果的准确度大于5个西格玛，换句话说，有机会发现这个信号的几率小于350万分之一。

“这绝对是令人难以置信的，出乎我的意料。我们之前认为这种信号太弱，没想到会这么清楚。”团队成员之一、明尼苏达大学的克莱门特•普里克说。

有关这次引力波发现的最后结论尚需通过其它实验来确认，但看过该论文的物理学家都认为，到目前为止的结果都是令人信服的。

“需要一个以上的实验才能得以最后确认，但我认为这是一个非常可靠的团队，他们所看到的结果也是非常具有权威性的。”麻省理工学院的艾伦•古斯说。约翰-霍普金斯大学的马克•卡明科斯基更是热情洋溢地表示，“这是本世纪最伟大的发现，有希望获下一个诺贝尔奖。”

“涟漪”是来自遥远宇宙的信号

爱因斯坦根据他的广义相对论，曾预言来自大质量天体引力的相互作用，比如黑洞合并会在时空中产生涟漪，并向外传播扩散。多个实验一直在寻找这样类型引力波通过地球形成空间扭曲的证据。

就像光波拥有长短不同的光谱，从长波长的微波到可见光，再到短波长的伽马射线，引力波也和它们一样有不同波长的形式。宇宙学家认为，从宇宙微波背景图上的幼年宇宙暴涨可发现较短引力波的痕迹，宇宙微波背景（CMB）是宇宙大爆炸后约3．8万年弥漫在整个宇宙的辐射，是宇宙间最早发出的光线。

古斯和他的同事于上世纪80年代首次提出以宇宙膨胀来解释宇宙微波背景上出现的涟漪：他们认为，宇宙大爆炸在一瞬间以大于20个数量级的速度迅速膨胀，然后膨胀速度放慢，以较为平稳的速度继续膨胀。

宇宙膨胀将大爆炸时最早产生的引力波，从难以探测到的波长延伸到我们可以在宇宙微波背景上探测到的波长。这种偏振现象是光波的一种倾向性，阳光以同样的方式将分子散射在地球大气层中，电子散射在宇宙微波背景上也会产生这种偏振现象，引力波产生的涟漪会微妙地改变偏振模式，使得宇宙微波背景产生独特的漩涡，被称为B-模式偏振。

之前的CMB温度图显示的原始引力波信号非常弱，这似乎排除了对宇宙膨胀最简单的几种解释。理论家们一直对宇宙膨胀是否真的发生过争议不休，一些人甚至建议完全放弃这一理论，而去寻求宇宙诞生的另一种新的模式。大多数人认为，找到原始引力波将为宇宙膨胀理论找到可靠的证据。

BICEP2的观测结果表明宇宙膨胀真的发生过，“它看起来完全就是我们一直寻求的引力波信号，宇宙膨胀的模型有很多，但其中最简单模型的预测值与我们所看到的大致差不多。”普里克说。

引力波“涟漪”能量巨大

在发现了引力波的存在之后，科学家们对一些与宇宙偏振图相关的项目极为期待，例如，智利的POLARBEAR实验或南极望远镜项目。预计将于今年晚些时候出来的普朗克太空望远镜对CMB图的更新数据，也将包括偏振方面的数据。在这些实验中发现一个又一个有助于支持BICEP2探测结果的相类似的信号，将会是一个较为漫长的过程，但是研究团队仍然需要解释，为什么他们在宇宙背景辐射温度图上看到的是比之前预计更为强大的信号。

有了原始引力波存在的证据在手，科学家们可以开始研究宇宙之初的一些细节。例如，BICEP2所看到的引力波的频率和能量表明，引力波以约1016千兆电子伏特的能量在宇宙的“粒子汤”中像涟漪一样荡漾开来。相比之下，大型强子对撞机预计能够达到创纪录的能量峰值仅为13千兆电子伏特。

“想象一下，如果有能够产生引力波这样巨大能量的粒子加速器，它得从地球到离地球最近的恒星的距离这么大才行。”普里克说。

宇宙起始与终结之秘

有意思的是，BICEP2的观测结果与物理学家称为大统一理论的预测结果正相吻合。当宇宙冷却，能量级下降，物理学基本力量中最强的最先从合并力量中剥离开来，之前的一些理论认为可能正是这一事件引发了宇宙膨胀。

新的观察结果并不能证明这一理论是正确的，但却有一定的启示意义，古斯说道。检测到的引力波同时也是第一波量子引力，量子引力是现代物理学最棘手的难题之一。如今，量子力学理论可以解释基本粒子的行为，但如果加入万有引力，方程就会分崩离析。在宇宙微波背景上观测到引力波的存在，意味着引力理论和量子理论应该结合在一起研究。

“如果引力不能量子化，宇宙膨胀就不会产生引力波，所以我们看到的是引力量子化产生的直接影响，这是我们第一次看到这样的东西。”古斯说。

宇宙膨胀理论的确定，对于认识宇宙的终结也有启示作用，古斯和他的同事支持被称为永恒膨胀的理论，该理论认为，在一个不断扩展的多元宇宙中，宇宙不断诞生一些更小的“口袋”，我们就生活在其中一个这样的“口袋”里，而我们的宇宙将继续扩大，直到宇宙最终变得黑暗和寒冷。

但其他“口袋”将继续经历这样的诞生、膨胀和成长过程，产生恒星、行星，也许还有迅速并越来越快增长的生命形式。“宇宙生命作为一个整体的未来会是非常好的。”古斯说。

摘自2013年3月26日《文汇报》