找到宇宙大爆炸的痕跡

張輝

“宇宙中最不可理解的事情，就是宇宙是可以被理解的。”千百年來，科學家們一直在探尋宇宙是什么時候、如何形成的。關于宇宙的起源，影響深遠的理論之一就是宇宙大爆炸理論。近日，科學家宣布找到了宇宙大爆炸的證據。這一結果表明人類將會知道：宇宙是如何誕生的？我們是怎么來的？

引力波——宇宙大爆炸的證據

1932年，比利時牧師兼物理學家喬治·勒梅特首次提出現代宇宙大爆炸理論，認為宇宙由大約138億年前發生的宇宙大爆炸形成。但大爆炸理論并沒有與所有天文觀測結果相吻合。為解釋疑點，半個世紀后，麻省理工學院科學家阿蘭·古斯等人提出“宇宙暴漲理論”，認為宇宙大爆炸后的極短暫時期內，曾經歷過一個急劇快速膨脹的階段，這就是“暴漲”。如果宇宙初創之時被猛烈地撕開，那么這種時空的急速變化會帶來引力場的變化。大爆炸發生時，就產生了原初引力波。所以對宇宙來說，引力波就像宇宙的黑匣子——記錄宇宙形成時的全過程；它也像活化石——不會因為時空的變幻而消失，會久久回蕩在時空中。

早在1916年，愛因斯坦的廣義相對論預言了引力波的存在。廣義相對論認為，物質和能量會造成時空的擾動，就像重物壓在床墊上會凹陷一樣。正是這種時空的擾動或扭曲產生了引力。所以說，引力波是攜帶能量穿過宇宙的漣漪。但是宇宙還在持續地膨脹，以至于這些原始的引力波對時空的攪動，就像愛因斯坦預言的一樣，微不足道。 愛因斯坦當時指出引力波現象將極其微弱，他認為人類也許無法實際探測到。

幸運的是，近100年之后，北京時間2014年3月18日凌晨，哈佛大學史密松天體物理中心的約翰·科瓦克博士向世界宣布，他和他的射電天文學團隊發現了來自宇宙大爆炸的引力波證據！這一結論是科學家們對宇宙微波背景輻射經過為期3年的研究后得出的。科學家認為：這是約138億年前，創造宇宙的大爆炸產生的痕跡，我們將因此“看到”宇宙是怎么誕生的；這是宇宙暴漲理論的第一個直接證據。

找到宇宙大爆炸的證據

138億年過去了，如何尋找宇宙第一波？它并不像金縷玉衣等文物一樣可觸摸，也不像一縷陽光或一陣清風能被感觸。它微弱的波動信號，被小心地隱藏在宇宙微波背景輻射中——宇宙大爆炸發生后大約38萬年時，當光第一次可以在宇宙中自由傳播時留下的遺跡。

干燥而大氣稀薄的南極成為宇宙“考古發掘”的最佳地點，原因是宇宙微波背景輻射的波段極容易被水蒸氣所吸收。“挖掘工具”是一種叫作宇宙泛星系偏振背景成像（Bicep）的望遠鏡。在長達6個月的南極極夜時間，它緊緊盯著太空中“最干凈的一塊天區”——一塊差不多相當于1000個月球拼成平面那么大的地方——仔細尋找引力波的信號。

計算表明，原初引力波作用到微波背景光子，會產生一種叫作B模式的特殊偏振模式，其他形式的擾動都產生不了這種B模式偏振，因此B模式偏振成為原初引力波的“獨特印記”。觀測到B模式偏振即意味著引力波的存在。如果你厭煩這些晦澀難懂的術語的話，那么以下這個比喻，或許有助于你理解科學家研究之困難：如果把宇宙微波背景輻射比作一望無際、深達幾千米的海洋，那么這種B 模式偏振的強度，就像是微風在洋面上吹起的細小波紋。但是，幸運的是，研究人員此次在南極發現了比“預想中強烈得多”的B模式偏振信號，隨后經過3年多的縝密分析，排除了其他可能的來源，確認它就是原初引力波導致的。“這就好像要在草堆里找一根針，結果我們找到了一根鐵撬棍。”科學家感慨到。

找到該引力波，就意味著暴漲宇宙學的模型基本上被證實了。暴漲宇宙學是目前最成功的描述極早期宇宙演化行為的模型。其所有預言，除了引力波之外，都已經被觀測證實。現在引力波也發現了，基本上這個模型不再有什么重大問題了。

關于宇宙起源還有很多謎題

但是即使宇宙大爆炸理論被證實，關于宇宙起源還有很多未解之謎。例如，宇宙暴漲發生的物理機制是什么？暴漲之前是什么階段？暴漲是怎樣結束的？宇宙中的物質是怎樣產生的？宇宙中96%都是看不見摸不著的東西，被科學家稱為宇宙的暗物質和暗能量。研究暗物質和暗能量的性質是當今粒子物理學和宇宙學面臨的最大挑戰之一。

【責任編輯】蒲 暉