宇宙背景微光中尋獲引力波印跡

Steed

北京時(shí)間3月18日凌晨，美國(guó)哈佛－史密松天體物理中心召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)，宣布了一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)：他們?cè)谟钪嫖⒉ū尘拜椛渲姓业搅擞梢Σ粝碌腂模式極化信號(hào)。這一發(fā)現(xiàn)堪稱宇宙學(xué)研究的“圣杯”，被譽(yù)為是“觀測(cè)宇宙學(xué)又一個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)”。那么，這一發(fā)現(xiàn)到底是怎么回事，又有著什么樣的意義呢？來(lái)看看天文學(xué)家Phil Plait在他名為“BadAstronomy”的博客上寫(xiě)下的這篇評(píng)論文章吧。

這可是個(gè)大新聞：天文學(xué)家已經(jīng)正式宣布，他們首次看見(jiàn)了極早期宇宙中“暴漲”的直接證據(jù)，破解了宇宙演化歷史的一個(gè)全新篇章。這一發(fā)現(xiàn)在很深的層次上將相對(duì)論和量子力學(xué)聯(lián)系在一起，這是以前從來(lái)沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)的事情。

這個(gè)消息非常重要，也非常有趣。不過(guò)，它也極為艱辛——大概是我曾經(jīng)寫(xiě)過(guò)的最復(fù)雜的發(fā)現(xiàn)。這跟希格斯玻色子可不一樣，至少后者還能用一兩句話說(shuō)清楚個(gè)大概。但這一新發(fā)現(xiàn)揭開(kāi)了宇宙深化歷史中一個(gè)關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)，對(duì)物理學(xué)也有著深遠(yuǎn)的影響。

那么，這到底是怎么回事呢？

瞬間暴漲

我們知道，宇宙正在膨脹。不論我們朝哪里看，遙遠(yuǎn)的星系他們都在遠(yuǎn)離我們而去。如果我們把時(shí)鐘反轉(zhuǎn)回去，這就意味著，宇宙在過(guò)去要比現(xiàn)在更小，在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)體積必定（接近）為零。時(shí)間上的這一點(diǎn)通常被稱為“大爆炸”（the Big Bang），這是宇宙開(kāi)始膨脹的起點(diǎn)。我們現(xiàn)在，距離大爆炸已經(jīng)有138.2億年了。

當(dāng)然，在此期間發(fā)生了很多事情，其中又有許多事情發(fā)生在大爆炸后最初遠(yuǎn)遠(yuǎn)不到1秒的那一瞬間。暴漲便是其中之一。

我得承認(rèn)，暴漲會(huì)讓你的腦子有一點(diǎn)點(diǎn)轉(zhuǎn)筋。它發(fā)生在大爆炸后大約10~35秒。為了讓你能更直觀地理解這么短時(shí)間大概有多短，我們換一個(gè)表達(dá)方式，那就是0.00000000000000000000000000000000001秒！它只持續(xù)到了大爆炸后大約10~32秒，因此以人類的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，這是極短的。但我們的宇宙正是在如此短暫的瞬間被“鍛造”出來(lái)的。

在此期間，出于目前還不清楚的一些原因，宇宙經(jīng)歷了一場(chǎng)極端的膨脹。那種膨脹是加速的，跟現(xiàn)在宇宙膨脹的速度完全不可同日而語(yǔ)。有些模型表明，在暴漲期間，宇宙的大小增加了1050倍（有些模型甚至認(rèn)為更多）——換句話說(shuō)，宇宙在對(duì)我們來(lái)說(shuō)小到完全沒(méi)有意義的那一瞬間，變大了100億億億億億億倍。

就像我之前說(shuō)過(guò)的，暴漲會(huì)讓你的腦子有一點(diǎn)點(diǎn)轉(zhuǎn)筋。

為什么要暴漲？

我們之所以認(rèn)為暴漲曾經(jīng)發(fā)生過(guò)，是因?yàn)橛钪婵雌饋?lái)非常均勻平滑。你可能會(huì)覺(jué)得，宇宙一點(diǎn)兒都不平滑，明明有些地方密密麻麻擠滿了物質(zhì)和能量，而其他地方卻完全是空空蕩蕩的。但是，如果在一個(gè)真正巨大的尺度上去看遙遠(yuǎn)而又古老的宇宙，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙平滑到了讓人感到不可思議的地步。望遠(yuǎn)鏡可以遙望宇宙深處，檢驗(yàn)宇宙誕生時(shí)遺留下來(lái)的余熱，測(cè)量其中的起伏。令人吃驚的是，其中起伏的幅度僅有大約10萬(wàn)分之一。暴漲解決了這個(gè)難題：宇宙一開(kāi)始是疙疙瘩瘩的，但在那段極端膨脹的時(shí)期內(nèi)，所有的起伏都被抹平了。就好像一塊皺皺巴巴的床單，從各個(gè)方向拉床單，上面的皺褶就消失了。

不僅如此，暴漲還解決了宇宙幾何形狀的難題。我不會(huì)在這里解釋細(xì)節(jié)，如果你感興趣，可以去找更多的內(nèi)容來(lái)閱讀。重點(diǎn)在于，天文學(xué)家構(gòu)想出了暴漲這個(gè)點(diǎn)子，用來(lái)解釋我們?cè)诂F(xiàn)在的宇宙中看到的一些古怪特性，而且暴漲也確實(shí)很好地完成了任務(wù)。這么多年來(lái)，它都表現(xiàn)很好。

但問(wèn)題在于，所有這些都只能是間接證據(jù)。科學(xué)家更喜歡直接證據(jù)，但我們之前還沒(méi)有找到過(guò)暴漲的任何直接證據(jù)。

時(shí)空中的漣漪

直到現(xiàn)在，這正是最新公布的這些結(jié)果所要證明的事情。暴漲模型預(yù)言，還有其他的標(biāo)記被遺留在宇宙之中，其中之一便是宇宙在經(jīng)歷迅速膨脹的時(shí)候，會(huì)在時(shí)空結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生出漣漪，被稱為引力波。這些引力波，實(shí)際上就是空間本身十分細(xì)微的膨脹和壓縮，它們會(huì)像聲波一樣在時(shí)空連續(xù)體中傳播。我們知道引力波是存在的——我們?cè)谔煳膶W(xué)觀測(cè)中看到過(guò)它們產(chǎn)生的作用，還有兩位天文學(xué)家因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了引力波的實(shí)例而獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但是，想要看見(jiàn)來(lái)自宇宙暴漲時(shí)期的引力波，是一件極其困難的事情。

我們看不見(jiàn)這些引力波，但我們可以檢測(cè)它們光線的影響，確切地說(shuō)，那些光線來(lái)自早期的宇宙。引力波會(huì)使這些光線發(fā)生極化，在某種意義上說(shuō)，相當(dāng)于以特定的方式把這些光波排列起來(lái)。使光線發(fā)生極化的方式可以有許多種，它們都各不相同，但是引力波可以留下一種非常特殊的極化模式（被稱為B模式極化，能夠扭曲和卷曲極化的方向，參見(jiàn)本文圖1）。在宇宙大爆炸留下的余光中找到這種極化模式，就會(huì)成為引力波的明確證據(jù)。而B(niǎo)模式極化信號(hào)，正是位于南極洲的一臺(tái)名為BICEP2的望遠(yuǎn)鏡最終檢測(cè)到的極化模式。

還能跟得上嗎？我知道，這些東西看起來(lái)離我們的日常生活都極其遙遠(yuǎn)，但事實(shí)上，這確實(shí)是非常大的一件事情。在不久以前，暴漲還只是一個(gè)非常棒的想法，是理解我們的宇宙如何從最初誕生的那一刻演化到今天我們所見(jiàn)包羅萬(wàn)象的關(guān)鍵一環(huán)，但是沒(méi)有任何直接的證據(jù)證明它確確實(shí)實(shí)發(fā)生過(guò)。現(xiàn)在，我們有直接證據(jù)了。

填補(bǔ)空白

打個(gè)比方來(lái)說(shuō)，這就好像我們?cè)噲D去寫(xiě)一本關(guān)于美國(guó)的歷史書(shū)，一直都在談?wù)撃媳睉?zhàn)爭(zhēng)，卻連它到底發(fā)生在什么時(shí)候都弄不清楚。現(xiàn)在，我們突然發(fā)現(xiàn)了照片，找到了日記，還確定了戰(zhàn)場(chǎng)遺跡。發(fā)現(xiàn)由暴漲產(chǎn)生的引力波導(dǎo)致的B模式極化信號(hào)，就好像關(guān)于宇宙的歷史書(shū)第一章前面的空白頁(yè)上又出現(xiàn)了一些白紙黑字。

這些光向我們展示了，宇宙在誕生之后最初遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1秒的時(shí)間段內(nèi)，到底發(fā)生了什么。這相當(dāng)關(guān)鍵。理論學(xué)家已經(jīng)提出了許多不同的物理模型，來(lái)描述暴漲可能如何發(fā)揮作用。類似的觀測(cè)將幫助我們厘清哪些模型能行，哪些不行，又有哪些模型可能需要調(diào)整。比方說(shuō)，這些引力波的強(qiáng)度要比模型預(yù)言的更強(qiáng)，于是你就會(huì)知道，有許多宇宙學(xué)家現(xiàn)在正站在黑板前，或埋首于紙堆之間，或者雙手交叉在腦后仰躺在座椅上，苦苦思索著哪些變量、哪些參數(shù)、哪些方程必須要如何擺弄一下，才能再現(xiàn)出這些新近獲得的觀測(cè)結(jié)果。

暴漲是宇宙發(fā)生巨大相變的一個(gè)時(shí)期。發(fā)現(xiàn)它的直接證據(jù)，也會(huì)讓我們理解宇宙的方式發(fā)生類似的巨大改變。

我之前提到過(guò)的希格斯玻色子，是現(xiàn)代粒子物理學(xué)的關(guān)鍵所在，發(fā)現(xiàn)它存在的證據(jù)是一件非常重大的事情。發(fā)現(xiàn)來(lái)自暴漲的引力波存在的證據(jù)，在宇宙學(xué)領(lǐng)域也是一件同等重要的事情。只要這一發(fā)現(xiàn)經(jīng)得起檢驗(yàn)，某些人因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就是十拿九穩(wěn)的事情。

但這對(duì)你又意味著什么呢？當(dāng)然，這取決于你自己。我們中的大多數(shù)人都可以幸福快樂(lè)地過(guò)著我們的小日子，不用去過(guò)度擔(dān)心引力波啦、亞原子粒子啦，或者宇宙在創(chuàng)生的最初一瞬間到底是什么樣子。

但是，你也可以這樣想一想：現(xiàn)在，我們能夠理解宇宙在創(chuàng)生的最初一瞬間到底是什么樣子了！這不是胡思亂想，也不是道聽(tīng)途說(shuō)或者坊間傳言。這項(xiàng)工作是大量研究的成果，是我們?nèi)祟悓?shù)學(xué)、科學(xué)、物理學(xué)和技術(shù)運(yùn)用了數(shù)百年之后，小心求證而得到的知識(shí)，是經(jīng)得起科學(xué)檢驗(yàn)、不怕火煉的“真金”。至少到目前為止，確實(shí)如此。

這一發(fā)現(xiàn)也有實(shí)際的意義。暴漲是基于量子力學(xué)而提出的，引力波卻屬于相對(duì)論的范疇。量子力學(xué)已經(jīng)給我們帶來(lái)了計(jì)算機(jī)、太陽(yáng)能、原子能等大量的現(xiàn)代科技。相對(duì)論在許多方面對(duì)我們的日常生活同樣意義重大，比如GPS全球定位系統(tǒng)，以及核電站。過(guò)去，這兩個(gè)概念無(wú)法相容，但是現(xiàn)在，我們找到了兩者之間一個(gè)直接而又深遠(yuǎn)的關(guān)聯(lián)。這個(gè)結(jié)果還很新，我們還有很長(zhǎng)很長(zhǎng)的路要走，才能更好地去理解它。我們不知道這一關(guān)聯(lián)會(huì)給我們帶來(lái)什么。至少現(xiàn)在還不知道。但每次我們開(kāi)啟一片新的科學(xué)領(lǐng)域，總會(huì)有各種各樣有趣的東西隨之而來(lái)，拭目以待好了。

最后一點(diǎn)，我本人并非宇宙學(xué)家，我是天文學(xué)家。但我同樣是人類的一員，當(dāng)我仰望夜空，或者透過(guò)望遠(yuǎn)鏡看到一幅璀璨影像時(shí)，我會(huì)好奇它們都是哪里來(lái)的，為什么萬(wàn)事萬(wàn)物會(huì)是現(xiàn)在這個(gè)樣子，又是什么令我們所處的宇宙變成了今天我們看到的樣子。我打賭，你對(duì)此也曾經(jīng)好奇過(guò)。

從我們?nèi)祟愑心芰μ岢鰡?wèn)題時(shí)起，這些問(wèn)題就一遍又一遍被人提出。現(xiàn)在，科學(xué)正在回答它們。（來(lái)源：果殼網(wǎng)）

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北京時(shí)間3月18日凌晨，美國(guó)哈佛－史密松天體物理中心召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)，宣布了一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)：他們?cè)谟钪嫖⒉ū尘拜椛渲姓业搅擞梢Σ粝碌腂模式極化信號(hào)。這一發(fā)現(xiàn)堪稱宇宙學(xué)研究的“圣杯”，被譽(yù)為是“觀測(cè)宇宙學(xué)又一個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)”。那么，這一發(fā)現(xiàn)到底是怎么回事，又有著什么樣的意義呢？來(lái)看看天文學(xué)家Phil Plait在他名為“BadAstronomy”的博客上寫(xiě)下的這篇評(píng)論文章吧。

這可是個(gè)大新聞：天文學(xué)家已經(jīng)正式宣布，他們首次看見(jiàn)了極早期宇宙中“暴漲”的直接證據(jù)，破解了宇宙演化歷史的一個(gè)全新篇章。這一發(fā)現(xiàn)在很深的層次上將相對(duì)論和量子力學(xué)聯(lián)系在一起，這是以前從來(lái)沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)的事情。

這個(gè)消息非常重要，也非常有趣。不過(guò)，它也極為艱辛——大概是我曾經(jīng)寫(xiě)過(guò)的最復(fù)雜的發(fā)現(xiàn)。這跟希格斯玻色子可不一樣，至少后者還能用一兩句話說(shuō)清楚個(gè)大概。但這一新發(fā)現(xiàn)揭開(kāi)了宇宙深化歷史中一個(gè)關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)，對(duì)物理學(xué)也有著深遠(yuǎn)的影響。

那么，這到底是怎么回事呢？

瞬間暴漲

我們知道，宇宙正在膨脹。不論我們朝哪里看，遙遠(yuǎn)的星系他們都在遠(yuǎn)離我們而去。如果我們把時(shí)鐘反轉(zhuǎn)回去，這就意味著，宇宙在過(guò)去要比現(xiàn)在更小，在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)體積必定（接近）為零。時(shí)間上的這一點(diǎn)通常被稱為“大爆炸”（the Big Bang），這是宇宙開(kāi)始膨脹的起點(diǎn)。我們現(xiàn)在，距離大爆炸已經(jīng)有138.2億年了。

當(dāng)然，在此期間發(fā)生了很多事情，其中又有許多事情發(fā)生在大爆炸后最初遠(yuǎn)遠(yuǎn)不到1秒的那一瞬間。暴漲便是其中之一。

我得承認(rèn)，暴漲會(huì)讓你的腦子有一點(diǎn)點(diǎn)轉(zhuǎn)筋。它發(fā)生在大爆炸后大約10~35秒。為了讓你能更直觀地理解這么短時(shí)間大概有多短，我們換一個(gè)表達(dá)方式，那就是0.00000000000000000000000000000000001秒！它只持續(xù)到了大爆炸后大約10~32秒，因此以人類的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，這是極短的。但我們的宇宙正是在如此短暫的瞬間被“鍛造”出來(lái)的。

在此期間，出于目前還不清楚的一些原因，宇宙經(jīng)歷了一場(chǎng)極端的膨脹。那種膨脹是加速的，跟現(xiàn)在宇宙膨脹的速度完全不可同日而語(yǔ)。有些模型表明，在暴漲期間，宇宙的大小增加了1050倍（有些模型甚至認(rèn)為更多）——換句話說(shuō)，宇宙在對(duì)我們來(lái)說(shuō)小到完全沒(méi)有意義的那一瞬間，變大了100億億億億億億倍。

就像我之前說(shuō)過(guò)的，暴漲會(huì)讓你的腦子有一點(diǎn)點(diǎn)轉(zhuǎn)筋。

為什么要暴漲？

我們之所以認(rèn)為暴漲曾經(jīng)發(fā)生過(guò)，是因?yàn)橛钪婵雌饋?lái)非常均勻平滑。你可能會(huì)覺(jué)得，宇宙一點(diǎn)兒都不平滑，明明有些地方密密麻麻擠滿了物質(zhì)和能量，而其他地方卻完全是空空蕩蕩的。但是，如果在一個(gè)真正巨大的尺度上去看遙遠(yuǎn)而又古老的宇宙，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙平滑到了讓人感到不可思議的地步。望遠(yuǎn)鏡可以遙望宇宙深處，檢驗(yàn)宇宙誕生時(shí)遺留下來(lái)的余熱，測(cè)量其中的起伏。令人吃驚的是，其中起伏的幅度僅有大約10萬(wàn)分之一。暴漲解決了這個(gè)難題：宇宙一開(kāi)始是疙疙瘩瘩的，但在那段極端膨脹的時(shí)期內(nèi)，所有的起伏都被抹平了。就好像一塊皺皺巴巴的床單，從各個(gè)方向拉床單，上面的皺褶就消失了。

不僅如此，暴漲還解決了宇宙幾何形狀的難題。我不會(huì)在這里解釋細(xì)節(jié)，如果你感興趣，可以去找更多的內(nèi)容來(lái)閱讀。重點(diǎn)在于，天文學(xué)家構(gòu)想出了暴漲這個(gè)點(diǎn)子，用來(lái)解釋我們?cè)诂F(xiàn)在的宇宙中看到的一些古怪特性，而且暴漲也確實(shí)很好地完成了任務(wù)。這么多年來(lái)，它都表現(xiàn)很好。

但問(wèn)題在于，所有這些都只能是間接證據(jù)。科學(xué)家更喜歡直接證據(jù)，但我們之前還沒(méi)有找到過(guò)暴漲的任何直接證據(jù)。

時(shí)空中的漣漪

直到現(xiàn)在，這正是最新公布的這些結(jié)果所要證明的事情。暴漲模型預(yù)言，還有其他的標(biāo)記被遺留在宇宙之中，其中之一便是宇宙在經(jīng)歷迅速膨脹的時(shí)候，會(huì)在時(shí)空結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生出漣漪，被稱為引力波。這些引力波，實(shí)際上就是空間本身十分細(xì)微的膨脹和壓縮，它們會(huì)像聲波一樣在時(shí)空連續(xù)體中傳播。我們知道引力波是存在的——我們?cè)谔煳膶W(xué)觀測(cè)中看到過(guò)它們產(chǎn)生的作用，還有兩位天文學(xué)家因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了引力波的實(shí)例而獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但是，想要看見(jiàn)來(lái)自宇宙暴漲時(shí)期的引力波，是一件極其困難的事情。

我們看不見(jiàn)這些引力波，但我們可以檢測(cè)它們光線的影響，確切地說(shuō)，那些光線來(lái)自早期的宇宙。引力波會(huì)使這些光線發(fā)生極化，在某種意義上說(shuō)，相當(dāng)于以特定的方式把這些光波排列起來(lái)。使光線發(fā)生極化的方式可以有許多種，它們都各不相同，但是引力波可以留下一種非常特殊的極化模式（被稱為B模式極化，能夠扭曲和卷曲極化的方向，參見(jiàn)本文圖1）。在宇宙大爆炸留下的余光中找到這種極化模式，就會(huì)成為引力波的明確證據(jù)。而B(niǎo)模式極化信號(hào)，正是位于南極洲的一臺(tái)名為BICEP2的望遠(yuǎn)鏡最終檢測(cè)到的極化模式。

還能跟得上嗎？我知道，這些東西看起來(lái)離我們的日常生活都極其遙遠(yuǎn)，但事實(shí)上，這確實(shí)是非常大的一件事情。在不久以前，暴漲還只是一個(gè)非常棒的想法，是理解我們的宇宙如何從最初誕生的那一刻演化到今天我們所見(jiàn)包羅萬(wàn)象的關(guān)鍵一環(huán)，但是沒(méi)有任何直接的證據(jù)證明它確確實(shí)實(shí)發(fā)生過(guò)。現(xiàn)在，我們有直接證據(jù)了。

填補(bǔ)空白

打個(gè)比方來(lái)說(shuō)，這就好像我們?cè)噲D去寫(xiě)一本關(guān)于美國(guó)的歷史書(shū)，一直都在談?wù)撃媳睉?zhàn)爭(zhēng)，卻連它到底發(fā)生在什么時(shí)候都弄不清楚。現(xiàn)在，我們突然發(fā)現(xiàn)了照片，找到了日記，還確定了戰(zhàn)場(chǎng)遺跡。發(fā)現(xiàn)由暴漲產(chǎn)生的引力波導(dǎo)致的B模式極化信號(hào)，就好像關(guān)于宇宙的歷史書(shū)第一章前面的空白頁(yè)上又出現(xiàn)了一些白紙黑字。

這些光向我們展示了，宇宙在誕生之后最初遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1秒的時(shí)間段內(nèi)，到底發(fā)生了什么。這相當(dāng)關(guān)鍵。理論學(xué)家已經(jīng)提出了許多不同的物理模型，來(lái)描述暴漲可能如何發(fā)揮作用。類似的觀測(cè)將幫助我們厘清哪些模型能行，哪些不行，又有哪些模型可能需要調(diào)整。比方說(shuō)，這些引力波的強(qiáng)度要比模型預(yù)言的更強(qiáng)，于是你就會(huì)知道，有許多宇宙學(xué)家現(xiàn)在正站在黑板前，或埋首于紙堆之間，或者雙手交叉在腦后仰躺在座椅上，苦苦思索著哪些變量、哪些參數(shù)、哪些方程必須要如何擺弄一下，才能再現(xiàn)出這些新近獲得的觀測(cè)結(jié)果。

暴漲是宇宙發(fā)生巨大相變的一個(gè)時(shí)期。發(fā)現(xiàn)它的直接證據(jù)，也會(huì)讓我們理解宇宙的方式發(fā)生類似的巨大改變。

我之前提到過(guò)的希格斯玻色子，是現(xiàn)代粒子物理學(xué)的關(guān)鍵所在，發(fā)現(xiàn)它存在的證據(jù)是一件非常重大的事情。發(fā)現(xiàn)來(lái)自暴漲的引力波存在的證據(jù)，在宇宙學(xué)領(lǐng)域也是一件同等重要的事情。只要這一發(fā)現(xiàn)經(jīng)得起檢驗(yàn)，某些人因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就是十拿九穩(wěn)的事情。

但這對(duì)你又意味著什么呢？當(dāng)然，這取決于你自己。我們中的大多數(shù)人都可以幸福快樂(lè)地過(guò)著我們的小日子，不用去過(guò)度擔(dān)心引力波啦、亞原子粒子啦，或者宇宙在創(chuàng)生的最初一瞬間到底是什么樣子。

但是，你也可以這樣想一想：現(xiàn)在，我們能夠理解宇宙在創(chuàng)生的最初一瞬間到底是什么樣子了！這不是胡思亂想，也不是道聽(tīng)途說(shuō)或者坊間傳言。這項(xiàng)工作是大量研究的成果，是我們?nèi)祟悓?shù)學(xué)、科學(xué)、物理學(xué)和技術(shù)運(yùn)用了數(shù)百年之后，小心求證而得到的知識(shí)，是經(jīng)得起科學(xué)檢驗(yàn)、不怕火煉的“真金”。至少到目前為止，確實(shí)如此。

這一發(fā)現(xiàn)也有實(shí)際的意義。暴漲是基于量子力學(xué)而提出的，引力波卻屬于相對(duì)論的范疇。量子力學(xué)已經(jīng)給我們帶來(lái)了計(jì)算機(jī)、太陽(yáng)能、原子能等大量的現(xiàn)代科技。相對(duì)論在許多方面對(duì)我們的日常生活同樣意義重大，比如GPS全球定位系統(tǒng)，以及核電站。過(guò)去，這兩個(gè)概念無(wú)法相容，但是現(xiàn)在，我們找到了兩者之間一個(gè)直接而又深遠(yuǎn)的關(guān)聯(lián)。這個(gè)結(jié)果還很新，我們還有很長(zhǎng)很長(zhǎng)的路要走，才能更好地去理解它。我們不知道這一關(guān)聯(lián)會(huì)給我們帶來(lái)什么。至少現(xiàn)在還不知道。但每次我們開(kāi)啟一片新的科學(xué)領(lǐng)域，總會(huì)有各種各樣有趣的東西隨之而來(lái)，拭目以待好了。

最后一點(diǎn)，我本人并非宇宙學(xué)家，我是天文學(xué)家。但我同樣是人類的一員，當(dāng)我仰望夜空，或者透過(guò)望遠(yuǎn)鏡看到一幅璀璨影像時(shí)，我會(huì)好奇它們都是哪里來(lái)的，為什么萬(wàn)事萬(wàn)物會(huì)是現(xiàn)在這個(gè)樣子，又是什么令我們所處的宇宙變成了今天我們看到的樣子。我打賭，你對(duì)此也曾經(jīng)好奇過(guò)。

從我們?nèi)祟愑心芰μ岢鰡?wèn)題時(shí)起，這些問(wèn)題就一遍又一遍被人提出。現(xiàn)在，科學(xué)正在回答它們。（來(lái)源：果殼網(wǎng)）

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北京時(shí)間3月18日凌晨，美國(guó)哈佛－史密松天體物理中心召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)，宣布了一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)：他們?cè)谟钪嫖⒉ū尘拜椛渲姓业搅擞梢Σ粝碌腂模式極化信號(hào)。這一發(fā)現(xiàn)堪稱宇宙學(xué)研究的“圣杯”，被譽(yù)為是“觀測(cè)宇宙學(xué)又一個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)”。那么，這一發(fā)現(xiàn)到底是怎么回事，又有著什么樣的意義呢？來(lái)看看天文學(xué)家Phil Plait在他名為“BadAstronomy”的博客上寫(xiě)下的這篇評(píng)論文章吧。

這可是個(gè)大新聞：天文學(xué)家已經(jīng)正式宣布，他們首次看見(jiàn)了極早期宇宙中“暴漲”的直接證據(jù)，破解了宇宙演化歷史的一個(gè)全新篇章。這一發(fā)現(xiàn)在很深的層次上將相對(duì)論和量子力學(xué)聯(lián)系在一起，這是以前從來(lái)沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)的事情。

這個(gè)消息非常重要，也非常有趣。不過(guò)，它也極為艱辛——大概是我曾經(jīng)寫(xiě)過(guò)的最復(fù)雜的發(fā)現(xiàn)。這跟希格斯玻色子可不一樣，至少后者還能用一兩句話說(shuō)清楚個(gè)大概。但這一新發(fā)現(xiàn)揭開(kāi)了宇宙深化歷史中一個(gè)關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)，對(duì)物理學(xué)也有著深遠(yuǎn)的影響。

那么，這到底是怎么回事呢？

瞬間暴漲

我們知道，宇宙正在膨脹。不論我們朝哪里看，遙遠(yuǎn)的星系他們都在遠(yuǎn)離我們而去。如果我們把時(shí)鐘反轉(zhuǎn)回去，這就意味著，宇宙在過(guò)去要比現(xiàn)在更小，在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)體積必定（接近）為零。時(shí)間上的這一點(diǎn)通常被稱為“大爆炸”（the Big Bang），這是宇宙開(kāi)始膨脹的起點(diǎn)。我們現(xiàn)在，距離大爆炸已經(jīng)有138.2億年了。

當(dāng)然，在此期間發(fā)生了很多事情，其中又有許多事情發(fā)生在大爆炸后最初遠(yuǎn)遠(yuǎn)不到1秒的那一瞬間。暴漲便是其中之一。

我得承認(rèn)，暴漲會(huì)讓你的腦子有一點(diǎn)點(diǎn)轉(zhuǎn)筋。它發(fā)生在大爆炸后大約10~35秒。為了讓你能更直觀地理解這么短時(shí)間大概有多短，我們換一個(gè)表達(dá)方式，那就是0.00000000000000000000000000000000001秒！它只持續(xù)到了大爆炸后大約10~32秒，因此以人類的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，這是極短的。但我們的宇宙正是在如此短暫的瞬間被“鍛造”出來(lái)的。

在此期間，出于目前還不清楚的一些原因，宇宙經(jīng)歷了一場(chǎng)極端的膨脹。那種膨脹是加速的，跟現(xiàn)在宇宙膨脹的速度完全不可同日而語(yǔ)。有些模型表明，在暴漲期間，宇宙的大小增加了1050倍（有些模型甚至認(rèn)為更多）——換句話說(shuō)，宇宙在對(duì)我們來(lái)說(shuō)小到完全沒(méi)有意義的那一瞬間，變大了100億億億億億億倍。

就像我之前說(shuō)過(guò)的，暴漲會(huì)讓你的腦子有一點(diǎn)點(diǎn)轉(zhuǎn)筋。

為什么要暴漲？

我們之所以認(rèn)為暴漲曾經(jīng)發(fā)生過(guò)，是因?yàn)橛钪婵雌饋?lái)非常均勻平滑。你可能會(huì)覺(jué)得，宇宙一點(diǎn)兒都不平滑，明明有些地方密密麻麻擠滿了物質(zhì)和能量，而其他地方卻完全是空空蕩蕩的。但是，如果在一個(gè)真正巨大的尺度上去看遙遠(yuǎn)而又古老的宇宙，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙平滑到了讓人感到不可思議的地步。望遠(yuǎn)鏡可以遙望宇宙深處，檢驗(yàn)宇宙誕生時(shí)遺留下來(lái)的余熱，測(cè)量其中的起伏。令人吃驚的是，其中起伏的幅度僅有大約10萬(wàn)分之一。暴漲解決了這個(gè)難題：宇宙一開(kāi)始是疙疙瘩瘩的，但在那段極端膨脹的時(shí)期內(nèi)，所有的起伏都被抹平了。就好像一塊皺皺巴巴的床單，從各個(gè)方向拉床單，上面的皺褶就消失了。

不僅如此，暴漲還解決了宇宙幾何形狀的難題。我不會(huì)在這里解釋細(xì)節(jié)，如果你感興趣，可以去找更多的內(nèi)容來(lái)閱讀。重點(diǎn)在于，天文學(xué)家構(gòu)想出了暴漲這個(gè)點(diǎn)子，用來(lái)解釋我們?cè)诂F(xiàn)在的宇宙中看到的一些古怪特性，而且暴漲也確實(shí)很好地完成了任務(wù)。這么多年來(lái)，它都表現(xiàn)很好。

但問(wèn)題在于，所有這些都只能是間接證據(jù)。科學(xué)家更喜歡直接證據(jù)，但我們之前還沒(méi)有找到過(guò)暴漲的任何直接證據(jù)。

時(shí)空中的漣漪

直到現(xiàn)在，這正是最新公布的這些結(jié)果所要證明的事情。暴漲模型預(yù)言，還有其他的標(biāo)記被遺留在宇宙之中，其中之一便是宇宙在經(jīng)歷迅速膨脹的時(shí)候，會(huì)在時(shí)空結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生出漣漪，被稱為引力波。這些引力波，實(shí)際上就是空間本身十分細(xì)微的膨脹和壓縮，它們會(huì)像聲波一樣在時(shí)空連續(xù)體中傳播。我們知道引力波是存在的——我們?cè)谔煳膶W(xué)觀測(cè)中看到過(guò)它們產(chǎn)生的作用，還有兩位天文學(xué)家因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了引力波的實(shí)例而獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但是，想要看見(jiàn)來(lái)自宇宙暴漲時(shí)期的引力波，是一件極其困難的事情。

我們看不見(jiàn)這些引力波，但我們可以檢測(cè)它們光線的影響，確切地說(shuō)，那些光線來(lái)自早期的宇宙。引力波會(huì)使這些光線發(fā)生極化，在某種意義上說(shuō)，相當(dāng)于以特定的方式把這些光波排列起來(lái)。使光線發(fā)生極化的方式可以有許多種，它們都各不相同，但是引力波可以留下一種非常特殊的極化模式（被稱為B模式極化，能夠扭曲和卷曲極化的方向，參見(jiàn)本文圖1）。在宇宙大爆炸留下的余光中找到這種極化模式，就會(huì)成為引力波的明確證據(jù)。而B(niǎo)模式極化信號(hào)，正是位于南極洲的一臺(tái)名為BICEP2的望遠(yuǎn)鏡最終檢測(cè)到的極化模式。

還能跟得上嗎？我知道，這些東西看起來(lái)離我們的日常生活都極其遙遠(yuǎn)，但事實(shí)上，這確實(shí)是非常大的一件事情。在不久以前，暴漲還只是一個(gè)非常棒的想法，是理解我們的宇宙如何從最初誕生的那一刻演化到今天我們所見(jiàn)包羅萬(wàn)象的關(guān)鍵一環(huán)，但是沒(méi)有任何直接的證據(jù)證明它確確實(shí)實(shí)發(fā)生過(guò)。現(xiàn)在，我們有直接證據(jù)了。

填補(bǔ)空白

打個(gè)比方來(lái)說(shuō)，這就好像我們?cè)噲D去寫(xiě)一本關(guān)于美國(guó)的歷史書(shū)，一直都在談?wù)撃媳睉?zhàn)爭(zhēng)，卻連它到底發(fā)生在什么時(shí)候都弄不清楚。現(xiàn)在，我們突然發(fā)現(xiàn)了照片，找到了日記，還確定了戰(zhàn)場(chǎng)遺跡。發(fā)現(xiàn)由暴漲產(chǎn)生的引力波導(dǎo)致的B模式極化信號(hào)，就好像關(guān)于宇宙的歷史書(shū)第一章前面的空白頁(yè)上又出現(xiàn)了一些白紙黑字。

這些光向我們展示了，宇宙在誕生之后最初遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1秒的時(shí)間段內(nèi)，到底發(fā)生了什么。這相當(dāng)關(guān)鍵。理論學(xué)家已經(jīng)提出了許多不同的物理模型，來(lái)描述暴漲可能如何發(fā)揮作用。類似的觀測(cè)將幫助我們厘清哪些模型能行，哪些不行，又有哪些模型可能需要調(diào)整。比方說(shuō)，這些引力波的強(qiáng)度要比模型預(yù)言的更強(qiáng)，于是你就會(huì)知道，有許多宇宙學(xué)家現(xiàn)在正站在黑板前，或埋首于紙堆之間，或者雙手交叉在腦后仰躺在座椅上，苦苦思索著哪些變量、哪些參數(shù)、哪些方程必須要如何擺弄一下，才能再現(xiàn)出這些新近獲得的觀測(cè)結(jié)果。

暴漲是宇宙發(fā)生巨大相變的一個(gè)時(shí)期。發(fā)現(xiàn)它的直接證據(jù)，也會(huì)讓我們理解宇宙的方式發(fā)生類似的巨大改變。

我之前提到過(guò)的希格斯玻色子，是現(xiàn)代粒子物理學(xué)的關(guān)鍵所在，發(fā)現(xiàn)它存在的證據(jù)是一件非常重大的事情。發(fā)現(xiàn)來(lái)自暴漲的引力波存在的證據(jù)，在宇宙學(xué)領(lǐng)域也是一件同等重要的事情。只要這一發(fā)現(xiàn)經(jīng)得起檢驗(yàn)，某些人因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就是十拿九穩(wěn)的事情。

但這對(duì)你又意味著什么呢？當(dāng)然，這取決于你自己。我們中的大多數(shù)人都可以幸福快樂(lè)地過(guò)著我們的小日子，不用去過(guò)度擔(dān)心引力波啦、亞原子粒子啦，或者宇宙在創(chuàng)生的最初一瞬間到底是什么樣子。

但是，你也可以這樣想一想：現(xiàn)在，我們能夠理解宇宙在創(chuàng)生的最初一瞬間到底是什么樣子了！這不是胡思亂想，也不是道聽(tīng)途說(shuō)或者坊間傳言。這項(xiàng)工作是大量研究的成果，是我們?nèi)祟悓?shù)學(xué)、科學(xué)、物理學(xué)和技術(shù)運(yùn)用了數(shù)百年之后，小心求證而得到的知識(shí)，是經(jīng)得起科學(xué)檢驗(yàn)、不怕火煉的“真金”。至少到目前為止，確實(shí)如此。

這一發(fā)現(xiàn)也有實(shí)際的意義。暴漲是基于量子力學(xué)而提出的，引力波卻屬于相對(duì)論的范疇。量子力學(xué)已經(jīng)給我們帶來(lái)了計(jì)算機(jī)、太陽(yáng)能、原子能等大量的現(xiàn)代科技。相對(duì)論在許多方面對(duì)我們的日常生活同樣意義重大，比如GPS全球定位系統(tǒng)，以及核電站。過(guò)去，這兩個(gè)概念無(wú)法相容，但是現(xiàn)在，我們找到了兩者之間一個(gè)直接而又深遠(yuǎn)的關(guān)聯(lián)。這個(gè)結(jié)果還很新，我們還有很長(zhǎng)很長(zhǎng)的路要走，才能更好地去理解它。我們不知道這一關(guān)聯(lián)會(huì)給我們帶來(lái)什么。至少現(xiàn)在還不知道。但每次我們開(kāi)啟一片新的科學(xué)領(lǐng)域，總會(huì)有各種各樣有趣的東西隨之而來(lái)，拭目以待好了。

最后一點(diǎn)，我本人并非宇宙學(xué)家，我是天文學(xué)家。但我同樣是人類的一員，當(dāng)我仰望夜空，或者透過(guò)望遠(yuǎn)鏡看到一幅璀璨影像時(shí)，我會(huì)好奇它們都是哪里來(lái)的，為什么萬(wàn)事萬(wàn)物會(huì)是現(xiàn)在這個(gè)樣子，又是什么令我們所處的宇宙變成了今天我們看到的樣子。我打賭，你對(duì)此也曾經(jīng)好奇過(guò)。

從我們?nèi)祟愑心芰μ岢鰡?wèn)題時(shí)起，這些問(wèn)題就一遍又一遍被人提出。現(xiàn)在，科學(xué)正在回答它們。（來(lái)源：果殼網(wǎng)）

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