聽，宇宙大爆炸的那聲“余響”

一個蘋果引出的“宇宙級難題”

人類對于引力的理解，始于牛頓的那個蘋果。在牛頓的萬有引力理論中并沒有時間因子，這意味著引力是一種瞬時傳播的超距作用。根據(jù)牛頓的理論，如果某一天太陽突然消失，整個宇宙里面的所有物體都會立即覺察到，所有環(huán)繞太陽運行的行星都會沿著切線方向飛離原來的軌道。這種“鬼魅般的”超距作用的觀念，一直困擾著很多科學家。1916年，愛因斯坦在所提出的廣義相對論中摒棄了牛頓的絕對時空觀，引入一種新的時空結構。如果把宇宙時空看成是像蹦床一樣的彈性介質，任何有質量的物質都會在蹦床上引起形變，從而讓附近的物質能感覺得到。這樣的形變會以波動的形式由近及遠傳播開去，這就是引力波。特殊的是，引力波的傳播速度等于光速，宇宙中信息傳遞的極限速度。

但是，愛因斯坦自己最初對引力波是持保守態(tài)度的。1936年，愛因斯坦和他的年輕研究助理羅森向美國物理學期刊《物理評論》寄出了一篇論文，文中聲稱新宇宙學模型中的引力波并非真實存在。文章按雜志慣例被編輯發(fā)給其他同行進行匿名評估，評估意見認為論文中有錯誤，這種引力波是真實存在的。愛因斯坦得知文章被發(fā)給其他專家進行評估覺得很不愉快，并堅持認為引力波并不存在，就將文章轉投到其他雜志（愛因斯坦以前的文章都是發(fā)表在歐洲雜志上，在歐洲，拒絕功成名就的作者投稿是相當不禮貌的）。后來，那位審稿人，羅伯特遜教授，說服了愛因斯坦，因此愛因斯坦在接受校樣稿時，有機會在最終發(fā)表的文章中澄清了錯誤。

盡管如此，羅森卻并未被羅伯特遜說服，他依然不相信引力波的真實性，后來他獨立發(fā)表文章堅持原來的觀點。直到后來，費曼提出了一個簡單的“粘性水珠”的實驗，形成了對引力波可觀測效應的關鍵論證。費曼提出，如果引力波垂直通過一根粗糙的棍子，棍子表面附著的水珠會受到引力引起的潮汐力而前后移動。水珠和棍子表面存在的摩擦力會將運動轉換為熱能，因此引力波必然攜帶能量，并不是無物理效應的。

宇宙大爆炸“余響”的秘密

盡管引力波的觀點已經(jīng)逐漸被物理學家接受，但是如何探測引力波是一個極其困難的事情。愛因斯坦曾經(jīng)提出過一個實驗方案，將一個長20米、重500噸的鋼棒高速旋轉就能輻射出引力波。但是理論計算表明，即使旋轉速度足夠快到鋼棒被離心力拉斷之前，引力波的輻射功率只有10-29瓦特，這樣弱的信號是無法被測量到的。要形成可測量的信號，必須具有大質量的物體作為引力波源，最好的選擇就是宇宙中運動的天體。1974年，泰勒和赫爾斯分析了互相繞對方旋轉的PSR1913+16雙脈沖星系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其旋轉周期會逐漸變短，軌道逐漸變小。他們認為，這是由于雙脈沖星系統(tǒng)會因為輻射引力波而失去能量所導致的，正如變速運動的電荷會輻射電磁波而損失能量一樣。在考慮了上述引力輻射阻尼效應所得到的雙脈沖星周期數(shù)據(jù)，和理論預言符合得很好。

這形成了引力波存在的第一個間接定量證據(jù)，泰勒和赫爾斯也因此獲得了1993年諾貝爾獎。

引力波一旦產(chǎn)生，將在宇宙中永遠地傳播下去，因此可以攜帶波源的信息。理論物理學家認為，最早的引力波產(chǎn)生于宇宙創(chuàng)生的10-36秒，這種原初引力波攜帶著宇宙創(chuàng)生的信息，如果能探測到這種原初引力波，將對認識宇宙起源至關重要，而且現(xiàn)在看來，這是唯一的方法。這一點還得從愛因斯坦方程談起。

愛因斯坦將引力方程應用到整個宇宙，得到了一個讓他吃驚的結果，就是宇宙是收縮的。但是愛因斯坦堅持認為宇宙不應該收縮，所以應該存在某種斥力來抵消引力，于是他引入一個宇宙常數(shù)項來表示這種斥力作用，從而可以得到一個靜態(tài)的宇宙。但是，在1929年，哈勃做出了一個里程碑意義的實驗發(fā)現(xiàn)，即不管你朝哪個方向看，遠處的星系都在遠離我們而去，離我們越遠的星系遠離得越快。也就是說，星系之間的距離在不斷增大，宇宙正在不斷膨脹。一個簡單的反向外推暗示我們，宇宙萬物貌似是從某個大爆炸開始的。

1948年左右，伽莫夫發(fā)展和完善了勒梅特所提出的大爆炸理論。這一理論認為，宇宙萬物是從一個很小的點經(jīng)過一個大爆炸后開始的。1979年，麻省理工學院的阿蘭·古斯教授為了解釋宇宙學所遇到的其他問題，提出在大爆炸后宇宙應該經(jīng)歷了一個暴漲的階段，這次暴漲持續(xù)時間極短，只有10-33秒，但是宇宙中任何一處空間都放大了1060倍。直觀地比較一下就是，原先一個分子大小的空間變得跟銀河系一樣廣闊。也許這一思想聽起來非常荒誕，古斯以當時最流行的經(jīng)濟現(xiàn)象“通貨膨脹”，調侃性地命名了他的理論。

想要證明宇宙的暴漲，關鍵還是要找到宇宙原初引力波。在大爆炸剛開始階段，宇宙密度極大，這個時候即使引力子也無法傳播。在宇宙暴漲的過程中，宇宙空間急劇增加，物質變得稀薄，引力子就可以傳播，而暴漲停止必然會造成時空漣漪，也就是原初引力波。由于引力波可以穿行于宇宙早期物質中，它的頻譜和功率可以告訴我們宇宙暴漲時期的信息。但是正如我們前面提到的，直接探測引力波是相當困難的。科學家又想到一個巧妙的間接方法。正如太陽光穿過大氣層時會被大氣分子散射而形成偏振一樣，宇宙微波背景輻射在宇宙中穿行時，也會因為電子散射而產(chǎn)生偏振模式，而原初引力波會略微改變這種偏振，從而在宇宙背景輻射中留下痕跡。這種痕跡是極其微弱的，探測它無異于在干草堆中尋找一根針，因為這種痕跡很容易就會淹沒在其他更強的背景噪聲中。

終極命題“我們從哪兒來”有望解開

多年來，全球多個天文臺都在尋找原初引力波，包括在軌歐空局普朗克衛(wèi)星、智利北部的“時空波動”望遠鏡和這次首先聲明發(fā)現(xiàn)原初引力波的南極BICEP2望遠鏡，其他還有一些借助高空氣球運行的裝置。其中被寄予厚望的是投資巨大的普朗克衛(wèi)星，因為它不會受到地球大氣的干擾。然而在這場競賽中先拔頭籌的是BICEP2望遠鏡，其他幾個實驗裝置的結果估計也會在近一年內發(fā)表出來。如果這一結果被證實，阿蘭·古斯將成為離諾貝爾物理學獎最近的宇宙物理學家了。

這一發(fā)現(xiàn)標志著人類已經(jīng)可以接觸到宇宙誕生不到一秒時的數(shù)據(jù)，這有助于告訴我們暴漲的動力來自于何處，是否是真空能量驅動了暴漲的發(fā)生，也說明將量子物理和引力理論結合起來的方向是正確的，會極大地鼓舞理論物理學家的信心。隨著人類的測量手段越發(fā)精確，實驗數(shù)據(jù)的逐漸積累，“我們從哪兒來”這一終極命題也許會逐漸顯現(xiàn)出答案。