探索大爆炸“漣漪”之謎

探索大爆炸“漣漪”之謎

宇宙時空中的引力波讓我們有機會一窺遙遠過去宇宙大爆炸瞬間發生的事情。原始引力波的發現如果能得以證實，將在整個科學領域內產生漣漪效應。引力波的存在支持了一些非常關鍵的預測，例如宇宙是如何開始和運作的，并為將現代物理學的兩個基礎理論合二為一提供了一線希望。

引力波預測成為現實

大質量天體加速穿越時空結構時引起空間動蕩產生的漣漪就叫作引力波，很早以前愛因斯坦廣義相對論的成功理論就已經預測到了引力波的存在，盡管它們從未被直接探測到。

近日，美國科學家宣布，利用BICEP2射電望遠鏡在南極首次探測到了引力波存在的明顯標志，在宇宙大爆炸后發出的最早一束光線中發現了引力波的存在。引力波產生的獨特漩渦形狀比人們預期的更為明顯，因為之前的模型表明，宇宙早期產生的引力波非常微弱，甚至有可能弱到根本探測不到。

研究團隊花了3年時間排除了其他可能的解釋，例如，我們所在的銀河系的塵埃、更遙遠星系的引力引起的空間扭曲，以及望遠鏡本身的問題等。根據網上近日發表的論文，這個觀測結果的準確度大于5個西格瑪，換句話說，有機會發現這個信號的幾率小于350萬分之一。

“這絕對是令人難以置信的，出乎我的意料。我們之前認為這種信號太弱，沒想到會這么清楚。”團隊成員之一、明尼蘇達大學的克萊門特?普里克說。

有關這次引力波發現的最后結論尚需通過其它實驗來確認，但看過該論文的物理學家都認為，到目前為止的結果都是令人信服的。

“需要一個以上的實驗才能得以最后確認，但我認為這是一個非常可靠的團隊，他們所看到的結果也是非常具有權威性的。”麻省理工學院的艾倫?古斯說。約翰-霍普金斯大學的馬克?卡明科斯基更是熱情洋溢地表示，“這是本世紀最偉大的發現，有希望獲下一個諾貝爾獎。”

“漣漪”是來自遙遠宇宙的信號

愛因斯坦根據他的廣義相對論，曾預言來自大質量天體引力的相互作用，比如黑洞合并會在時空中產生漣漪，并向外傳播擴散。多個實驗一直在尋找這樣類型引力波通過地球形成空間扭曲的證據。

就像光波擁有長短不同的光譜，從長波長的微波到可見光，再到短波長的伽馬射線，引力波也和它們一樣有不同波長的形式。宇宙學家認為，從宇宙微波背景圖上的幼年宇宙暴漲可發現較短引力波的痕跡，宇宙微波背景（CMB）是宇宙大爆炸后約3．8萬年彌漫在整個宇宙的輻射，是宇宙間最早發出的光線。

古斯和他的同事于上世紀80年代首次提出以宇宙膨脹來解釋宇宙微波背景上出現的漣漪：他們認為，宇宙大爆炸在一瞬間以大于20個數量級的速度迅速膨脹，然后膨脹速度放慢，以較為平穩的速度繼續膨脹。

宇宙膨脹將大爆炸時最早產生的引力波，從難以探測到的波長延伸到我們可以在宇宙微波背景上探測到的波長。這種偏振現象是光波的一種傾向性，陽光以同樣的方式將分子散射在地球大氣層中，電子散射在宇宙微波背景上也會產生這種偏振現象，引力波產生的漣漪會微妙地改變偏振模式，使得宇宙微波背景產生獨特的漩渦，被稱為B-模式偏振。

之前的CMB溫度圖顯示的原始引力波信號非常弱，這似乎排除了對宇宙膨脹最簡單的幾種解釋。理論家們一直對宇宙膨脹是否真的發生過爭議不休，一些人甚至建議完全放棄這一理論，而去尋求宇宙誕生的另一種新的模式。大多數人認為，找到原始引力波將為宇宙膨脹理論找到可靠的證據。

BICEP2的觀測結果表明宇宙膨脹真的發生過，“它看起來完全就是我們一直尋求的引力波信號，宇宙膨脹的模型有很多，但其中最簡單模型的預測值與我們所看到的大致差不多。”普里克說。

引力波“漣漪”能量巨大

在發現了引力波的存在之后，科學家們對一些與宇宙偏振圖相關的項目極為期待，例如，智利的POLARBEAR實驗或南極望遠鏡項目。預計將于今年晚些時候出來的普朗克太空望遠鏡對CMB圖的更新數據，也將包括偏振方面的數據。在這些實驗中發現一個又一個有助于支持BICEP2探測結果的相類似的信號，將會是一個較為漫長的過程，但是研究團隊仍然需要解釋，為什么他們在宇宙背景輻射溫度圖上看到的是比之前預計更為強大的信號。

有了原始引力波存在的證據在手，科學家們可以開始研究宇宙之初的一些細節。例如，BICEP2所看到的引力波的頻率和能量表明，引力波以約1016千兆電子伏特的能量在宇宙的“粒子湯”中像漣漪一樣蕩漾開來。相比之下，大型強子對撞機預計能夠達到創紀錄的能量峰值僅為13千兆電子伏特。

“想象一下，如果有能夠產生引力波這樣巨大能量的粒子加速器，它得從地球到離地球最近的恒星的距離這么大才行。”普里克說。

宇宙起始與終結之秘

有意思的是，BICEP2的觀測結果與物理學家稱為大統一理論的預測結果正相吻合。當宇宙冷卻，能量級下降，物理學基本力量中最強的最先從合并力量中剝離開來，之前的一些理論認為可能正是這一事件引發了宇宙膨脹。

新的觀察結果并不能證明這一理論是正確的，但卻有一定的啟示意義，古斯說道。檢測到的引力波同時也是第一波量子引力，量子引力是現代物理學最棘手的難題之一。如今，量子力學理論可以解釋基本粒子的行為，但如果加入萬有引力，方程就會分崩離析。在宇宙微波背景上觀測到引力波的存在，意味著引力理論和量子理論應該結合在一起研究。

“如果引力不能量子化，宇宙膨脹就不會產生引力波，所以我們看到的是引力量子化產生的直接影響，這是我們第一次看到這樣的東西。”古斯說。

宇宙膨脹理論的確定，對于認識宇宙的終結也有啟示作用，古斯和他的同事支持被稱為永恒膨脹的理論，該理論認為，在一個不斷擴展的多元宇宙中，宇宙不斷誕生一些更小的“口袋”，我們就生活在其中一個這樣的“口袋”里，而我們的宇宙將繼續擴大，直到宇宙最終變得黑暗和寒冷。

但其他“口袋”將繼續經歷這樣的誕生、膨脹和成長過程，產生恒星、行星，也許還有迅速并越來越快增長的生命形式。“宇宙生命作為一個整體的未來會是非常好的。”古斯說。

摘自2013年3月26日《文匯報》