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宇宙暴胀的痕迹

2014-03-28 10:48 作者:苗千来源:三联生活周刊
“除非是找到了地球以外的生命或是发现了暗物质的本质,没有比这更为伟大的宇宙学发现了。”

3月17日,物理学家阿兰·古斯(左一)、罗伯特·威尔逊(左二)和安德烈·林德在哈佛-史密森天体物理学中心参加新闻发布会

3月17日,哈佛-史密森天体物理学中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)对外发布科学新闻,其实早在一周前,“哈佛-史密森天体物理学中心即将对外发布新闻”的消息就已经使整个物理学界充满了兴奋、激动和期待。物理学家们对这条新闻的内容已经事先猜测得八九不离十,果然,一组由多个研究机构的科学家组成的观测小组在南极利用射电望远镜观测,他们分析了近几年的观测数据后,终于正式宣布在宇宙微波背景辐射(Cosmic Microwave Background)中发现了其中的B模式偏振现象,这与此前天体物理学家的理论预测完全相符,可以说他们找到了支持宇宙暴胀理论最为有力的实验证据。

这个宇宙学的最新发现,迅速在全世界引起了巨大反响。美国加州理工学院的理论物理学家肖恩·卡罗尔(Sean Carrol)说:“除非是找到了地球以外的生命或是发现了暗物质的本质,没有比这更为伟大的宇宙学发现了。”美国麻省理工学院的物理学家、诺贝尔物理奖得主弗兰克·维尔切克(Frank Wilczek)评论道,(这个发现是)“大胆与极简主义的胜利”;他随后又评论道,“大自然的品位很不错”。

世界性的关注与无人比肩的声誉随之而来,人们预测宇宙暴胀理论最初的提出者,麻省理工学院的物理学家阿兰·古斯(Alan Guth)与刚刚取得决定性实验证据的南极观测团队的领导者约翰·科瓦奇(John Kovac)将是下一届诺贝尔物理奖的最热门人选,但是整个物理学界可能仍然需要一段时间才能真正认识到这个实验证据的发现给宇宙学与理论物理学研究所带来的深远影响。

宇宙学家们此前已经可以认定,我们的宇宙诞生于大约138亿年前的一次宇宙大爆炸(Big Bang),时间与空间,一切自此开始。在1964年,美国射电天文学家阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)与罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)共同发现了宇宙大爆炸在现今宇宙中的回响——宇宙微波背景辐射,这使得大爆炸成为宇宙学研究中被公认的基础理论,他们也因此获得了1978年的诺贝尔物理奖。但是人们对于宇宙的早期经历仍然充满好奇,一个起源于一次大爆炸的宇宙是如何成长为如今空荡荡的、平坦的宇宙?为什么宇宙的各处物质分布非常均匀?为什么宇宙空间的曲率非常低?针对这些疑问,阿兰·古斯在1990年大胆提出“宇宙暴胀”模型,根据这个模型,宇宙在大爆炸后很短的时间内,经历了一次指数级的“暴胀”,这次暴胀发生的原因、持续时间现在还不清楚,这次暴胀的能量随后转化为宇宙中的普通物质与辐射,也正是这次暴胀造就了一个各处均匀的、空间曲率极低的宇宙。

宇宙暴胀模型解释了人们对于宇宙现状的很多疑问,但是这个模型需要真正的宇宙学观测数据来证实。如果尚处在婴儿时期的宇宙真的在短时间内发生了一次指数级的暴胀,那么根据广义相对论的预测,整个宇宙中应该存在着这次暴胀所产生的引力波痕迹。引力波与电磁波的形式相似,它是一种空间的褶皱,在空间中以光速传播,对空间自身进行挤压或是拉伸。但是引力波的效应太过微弱,此前,人们对于这种仅仅存在于理论中的引力波是否能真正被实验探测到,或是它是否真正存在都一直有疑虑。但是,宇宙学家有可能探测到宇宙暴胀时期所产生的引力波存在的证据,这种证据就是它在宇宙微波背景辐射中造成的偏振现象。早在1996年,就有宇宙学家预测,这种太初的引力波可能使宇宙微波背景辐射产生B模式偏振,这是一种漩涡状的偏振现象,如果可以探测到这种现象,不光将是引力波存在的直接证据,也将是对宇宙暴胀理论最有力的支持。

约翰·科瓦奇所领导的宇宙微波背景辐射探测小组正是为了探测在宇宙微波背景辐射中的这种B模式偏振现象,他们选择在远离电磁干扰的南极探测站,利用BICEP2射电望远镜进行观测。要探测到这种极其细微的偏振现象,探测器必须极其灵敏,并且可以分辨出偏振的模式。实际上,即使没有太初引力波的存在,宇宙微波背景辐射自身也会产生某种程度的偏振现象,这种偏振首先被DASI望远镜观测到,但是并不能作为支持暴胀理论的证据。相比于前任,在2006至2008年间进行探测的只有49个探测器的BICEP1望远镜,在2010至2012年间进行探测的BICEP2探测器由512个超导探测器构成(计划将于2014年开始工作的BICEP3望远镜则将由2560个探测器构成),在经过了3年的探测后,科学家们把所得到的探测数据与此前BICEP1得到的实验数据进行了比较。科学家们把利用BICEP2得到的探测数据绘制成一个宇宙中某一区域的微波背景辐射的偏振地图,并且把偏振分解为E模式和B模式。宇宙中的其他信号,以及在观测过程中的干扰,都会在宇宙微波背景辐射中产生E模式的偏振,但是只有太初引力波的影响才会同时产生E模式与B模式的偏振,这才使得此次对于B模式偏振的观测数据与结论显得格外令人信服。

正是利用这种具有极高精度,可以分辨一千万分之一开尔文温度差别的射电望远镜,并且排除了在宇宙中引力透镜现象和宇宙尘埃对于观测数据的影响,约翰·科瓦奇的团队以相当高的可信度宣布,他们在宇宙微波背景辐射中发现了太初引力波存在的证据,这个发现,堪称宇宙学研究中的“圣杯”。

现在还有一些宇宙学家在等待着欧洲空间局发射的普朗克卫星在太空中获得的最新数据对南极观测小组的数据进行确认,这个由多个研究机构合作而首先发现的观测结果一旦被科学界所证实和承认,不仅将是近年来宇宙学研究最重要的发现之一,它对于基础物理学研究的影响将更为深远。宇宙在诞生之初,处于一个量子态,而暴胀现象则一下将这个处于量子态的宇宙拉伸至宏观领域,这个领域则是广义相对论所适用的领域。目前,量子力学与广义相对论存在着深刻的矛盾,B模式偏振的发现,把目前物理学界不可调和的两大支柱——量子力学和广义相对论紧紧地联系在了一起。引力波的存在,说明引力可以被量子化,“引力子”(Graviton)正是引力场被量子化之后的产物,人们也许可以在时间的开端寻找结合这两种分别描述微观与宏观现象的理论的结合点。

(本文写作参考了《自然》杂志的报道)

 

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