發(fā)現(xiàn)宇宙誕生的瞬間

宇宙學家在長期探索宇宙創(chuàng)生時的情景，而今他們已從探索走向探測，這是一個大的躍進。

自20世紀60年代發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射（CMB）后，理論家就預言，它是宇宙歷史資料的寶庫。如今，人們就在向CMB找真相。最有意思的是，除了探險家以外一直受到冷落的南極洲，現(xiàn)在變得熱鬧起來。

6年前，美國人在南極洲建立了世界上最大的望遠鏡之一———南極望遠鏡（SPT），其天線盤直徑長達10米。著名科學家拜生等人，目前在SPT小組工作。他們從南極站到SPT處，不過幾百米之遙，乘坐履帶車卻走得相當艱難———-40℃的寒風都算是和風拂面了。摘下手套去拿圖紙的片刻，手指就凍僵了。頭上戴著遮面的厚帽，胡須上卻結(jié)著呼出氣體所結(jié)成的冰珠。在如此不適于生活的地方，他們卻洋溢著工作的熱情，只因他們要在宇宙學中找到一個突破性的發(fā)現(xiàn)———宇宙誕生的一個瞬間。

新生宇宙近于無限的密實、極高的溫度。隨著宇宙的膨脹而冷卻，輻射的能量也就此稀薄，其波長變長，在140億年后，整個空間充滿了微波輻射，天文界稱之為CMB。這是解讀嬰兒宇宙及其后來演化的最佳宇宙學資料庫。例如，在CMB上的微小溫度變化，揭示出宇宙中分布著疏密不同的物質(zhì)塊，這些物質(zhì)塊以后會生成我們今日所見的星系團和空穴。

SPT專做CMB的詳細觀測和研究，但無論你看多么細致，你只能看到一幅宇宙的嬰兒圖像（大爆炸后38萬年的時刻）。我們無法再往前觀察，因為早期宇宙充滿了沸騰的等離子體，它不停地吸收和放射光子———這意味著光子無法逃出這個空間，即宇宙是不透明的，只有溫度下降得足夠低，使得這些粒子組合成中性原子時，輻射和光才能自由地穿過宇宙空間。因此，我們從宇宙變得透明的時刻只能取得一幅嬰兒宇宙的相片，而無法獲得其誕生時的瞬間圖像。

在宇宙創(chuàng)生后的更早時刻，理論告訴我們發(fā)生了宇宙暴脹，空間呈現(xiàn)指數(shù)性的快速膨脹，它始于宇宙最初的10-36秒，為一種神秘的帶有負壓的真空能所推動。在這短暫的時刻，可觀察宇宙從比原子小的尺寸擴大到一顆葡萄那么大。幸運的是，暴脹至此結(jié)束（此時為10-33秒），宇宙進入了平穩(wěn)的膨脹狀態(tài)，星系、恒星、行星得以生成。

暴脹是一個眾所周知的理論，為量子原理所支持，并在一定程度上獲得觀測的驗證。它解釋了宇宙學中不少的難題。例如，它解釋了早期宇宙學中的密度變化，那是一種微小的量子起伏，是暴脹放大的結(jié)果，甚至有可能和神秘的暗能量有關，正是它加速了今日宇宙的膨脹。

暴脹理論雖然相當成功，但還是受困于一些問題。首先，暴脹論有較多的版本，天文學家不能全部接受。究竟孰是孰非卻又很斷定，因為我們無法觀察到暴脹期的真相。

而今峰回路轉(zhuǎn)。在過去的10年中，宇宙學家認識到，暴脹的突然停止必將在時空中產(chǎn)生振動，形成時空的波紋，這便是引力波，是愛因斯坦廣義相對論所預言的。這些原始引力波可通過灼熱的早期宇宙，故它們的頻率和能量將顯示出暴脹停止時的宇宙狀態(tài)。因此，只要我們能找到原始引力波，我們就可以得悉宇宙最初（10-33秒）瞬間的情景。

理論家認為，引力波可能是穩(wěn)定的或偶發(fā)的，視不同性質(zhì)的波源而定，其頻率覆蓋度甚大，從10-17赫茲～1022赫茲，相差39個數(shù)量級，而其最大的波長長度，相當于宇宙的跨度。研究者相信，它們必然會在CMB上留下印跡。若我們找到這些痕跡，就可以識別出不同版本的暴脹模型，從而了解暴脹的真相。

拜生小組為他們的新型設備倍感興奮，因為該望遠鏡配上了極化計，可以用來測CMB的極化現(xiàn)象。這個極化現(xiàn)象，是CMB在旅途中被電子散射而引起的。引力波可以悄悄地改變極化的樣式，在其波紋通過時空時明顯地移動電子，從而在CMB上留下印跡。

來自s101tIQLHJ5pfDuFL0Ua+g==原始引力波的極化信號極微弱，頻率很低，皆被強得多的信號———早期宇宙中的密度起伏———所覆蓋。拜生說，沒有人知道測量引力波極化現(xiàn)象有多困難。

為何測量CMB極化的設備要設在如此遙遠、不適合人居住的地方？那是因為觀測CMB輻射需要一個高而廣的區(qū)域。大氣中的水蒸氣吸收微波，故在海面上不能觀測CMB，因為望遠鏡上方布滿著含水分的大氣，即使在高山頂上也需要真正干燥的空氣。而南極處在（海平面上）2830米的高度，且大氣極干燥。

微波背景各向異性陣列（AMIBA），設在夏威夷高地3400米高的斜坡上。對望遠鏡來說，條件最為優(yōu)越的要數(shù)智利阿塔卡馬沙漠了。自2012年以來，那里一直進行的北極熊實驗，就是為了測量CMB極化。這些設備皆設在Cerro Toco頂上，高達5200米。2013年晚些時候，近旁的阿塔卡馬宇宙學望遠鏡極化計攝像機也將參與這一實驗。這將提供前所未有的、最靈敏的CMB極化測量。

有兩個小組間的競爭十分激烈，但很友好，他們不會停留在現(xiàn)今這一極化計上。SPT極化計小組已經(jīng)在研制新的、更高級的儀器，其靈敏度比先前的高10倍。而阿塔卡馬小組則正在設計先進的阿塔卡馬極化計。在獲取暴脹的印跡———難以琢磨的極化圖形———方面，靈敏度、角分辨率、頻率覆蓋面和天空覆蓋面皆起著相當重要的作用。柏林斯頓大學的D.斯伯格說：“我們迄今不知道這個信號的強度，這是一門探索性的科學。”

科學界花了那么大的努力，都是為了獲取同一獵物。例如，普朗克望遠鏡自2009年發(fā)射以來一直在繪制詳細的CMB圖。2013年3月，該研究組公布了迄今以來最佳的CMB圖，它覆蓋了整個天空。他們還在分析來自該望遠鏡極化計的測量數(shù)據(jù)。歐洲空間研究和技術中心的負責人說：“我們打算公布極化計一年來測得的首批數(shù)據(jù)。”

但是，普朗克望遠鏡的靈敏度不如某些基地探測設備，不能測到最小范圍（極化）的現(xiàn)象。這便給其他的CMB極化測量研究組帶來奪冠的可能。

還有一些研究者的實驗在較高的位置進行。有些研究者把儀器設備置于氣球之下，飛行在南極洲、澳大利亞和新墨西哥的高空中。BICEP2的探測設備位于南極的一臺小望遠鏡上，EBEX的探測器則于2013年1月在南極洲完成了25天的氣球飛行。

還有許多實驗已在計劃之中。斯伯格說：“我敢肯定，在今后的幾年中，這方面必有較大的發(fā)展。”他相信，通過測到CMB極化而確證暴脹將獲得諾貝爾獎。

也有人說，測量結(jié)果早已收集到手。BICEP小組成員J.博克說：“我們計劃公布2013年的初步結(jié)果。我們目前正在分析3年來更有分量的數(shù)據(jù)。分析涉及校正、確切地了解儀器對信號和噪聲的區(qū)分，以及調(diào)查系統(tǒng)的誤差。而這是不容易的。”

博克聲稱，BICEP2的靈敏度已達到令人滿意的水平，但他沒有提到該小組是否已找到了暴脹的印跡。EBEX小組的領頭人S.海納尼說：“我們也不知道誰將首先測得這個信號，但這一探測結(jié)果必將在最近兩年取得。”

看到像拜生那樣的科學家，離開舒適的家，去往這個世界的極地，過著嚴峻的生活。這一切使我們認識到，他們是如何認真地追尋大自然的真理———暴脹的堅實證據(jù)。要知道，這一艱辛努力并沒有必然成功的保障。如果原始引力波較微弱，那么揭露真相的極化現(xiàn)象有可能永遠發(fā)現(xiàn)不了。但科學界并不因此而對前景感到沮喪，他們總會有辦法

獲得成功的！