科學(xué)發(fā)現(xiàn)史上又一個(gè)重要里程碑
——獲取宇宙最初一刻的吉光片羽

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科學(xué)發(fā)現(xiàn)史上又一個(gè)重要里程碑
——獲取宇宙最初一刻的吉光片羽

宇宙學(xué)是一門奇特的學(xué)問：課題是獨(dú)特的，對(duì)象是獨(dú)特的，方法是獨(dú)特的，甚至它的研究者也是獨(dú)特的。美國BICEP2研究團(tuán)隊(duì)就是由這樣一批獨(dú)特的宇宙學(xué)家組成。他們發(fā)現(xiàn)了宇宙誕生之后一億億億億分之一秒遺留下來的“吉光片羽”。他們探測(cè)到了大爆炸之后穿過宇宙的引力波。這是一個(gè)石破天驚的發(fā)現(xiàn)，對(duì)了解宇宙如何誕生具有里程碑式的意義，如果得到確認(rèn)，他們將有望獲得下一個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

解構(gòu)大爆炸

在137億年前大爆炸發(fā)生的那個(gè)時(shí)刻，我們所居住的宇宙被壓縮到一個(gè)難以想象的小尺度上，相伴隨的是極高的溫度和極大的密度。當(dāng)宇宙年齡在38萬年時(shí)，宇宙膨脹得足以讓輻射冷卻下來，不再與帶電粒子相互作用，空間變得透明了，輻射將自由地穿過空間飛向我們。

微波背景輻射表明，那時(shí)的宇宙同樣是以百萬分之一的精度呈現(xiàn)出各向同性的。只是后來，當(dāng)宇宙的年齡為數(shù)十億年時(shí)，物質(zhì)居然不均勻地聚集起來，形成了星系和星系團(tuán)。因此，宇宙學(xué)家采用了簡(jiǎn)單假設(shè)：宇宙是均勻與各向同性的，而在總體的均勻與各向同性中含有微小的隨機(jī)不規(guī)則性。盡管非均勻性很小，卻至關(guān)重要。由于宇宙學(xué)形式的馬太效應(yīng)，那些含物質(zhì)高于均值的稠密區(qū)域通過吸收稀疏區(qū)域的物質(zhì)，隨著時(shí)間推移，高于均值區(qū)域演化成星系團(tuán)、星系、恒星和人。

標(biāo)準(zhǔn)大爆炸理論只是說在宇宙之初有一場(chǎng)爆炸，而沒有告訴我們到底是什么爆炸，如何爆炸，更沒有說為何爆炸。日常知識(shí)告訴我們，引力是一種吸引力，它使萬物彼此靠近，怎能引發(fā)爆炸呢？所以，原初時(shí)刻一定存在著某種強(qiáng)大的排斥力。這個(gè)困擾人們的問題，直到1980年代初才得到解答。答案居然十分簡(jiǎn)單，愛因斯坦關(guān)于宇宙學(xué)常數(shù)的老想法以暴漲宇宙的新形式得以復(fù)興。廣義相對(duì)論告訴我們，在某些情形下萬有引力可以是排斥性的。所以牛頓取的萬有引力這個(gè)名稱，從此就改稱為引力了。

暴漲宇宙學(xué)可以作為標(biāo)準(zhǔn)大爆炸宇宙學(xué)的更早期，它對(duì)宇宙原初時(shí)刻的解釋與標(biāo)準(zhǔn)大爆炸宇宙學(xué)的解釋有天壤之別。暴漲宇宙學(xué)不僅彌補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)大爆炸宇宙學(xué)中的許多漏洞，諸如解決了視界疑難、平坦性疑難與拓?fù)淙毕葸^豐等問題，并且給出了一系列預(yù)言。隨著BICEP2團(tuán)隊(duì)的工作以及先前的種種實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所有這些預(yù)言都得到了確認(rèn)。

除此之外，暴漲宇宙學(xué)還幫助我們理解了早期宇宙是如何獲得了它那極低的熵，這使得我們比以往任何時(shí)刻都更接近時(shí)間之箭的解釋。暴漲宇宙學(xué)還在量子力學(xué)與廣義相對(duì)論之間建立了橋梁。

取得直接證據(jù)

用衛(wèi)星對(duì)宇宙年齡38萬年時(shí)留下的微波背景輻射溫度所做的觀測(cè)，已為宇宙學(xué)提供了奇跡般的證據(jù)。現(xiàn)在我們知道空間中某處的溫度可能是2．72544開，另外的地方可能是2．72550開，還有的地方可能是2．72556開。

另一方面，量子力學(xué)的海森伯原理告訴我們，在任何量子系統(tǒng)中總存在著一個(gè)隨機(jī)漲落。在暴漲宇宙學(xué)的框架中，這意味著量子場(chǎng)將展現(xiàn)出這種漲落。這就是衛(wèi)星所觀測(cè)到的輻射溫度的隨機(jī)分布數(shù)據(jù)的本源。由于諸如光子那樣的矢量場(chǎng)所具有的對(duì)稱性，它們產(chǎn)生的漲落并未對(duì)微波背景溫度提供實(shí)質(zhì)性的貢獻(xiàn)。所以真正要關(guān)注的兩類量子漲落是暴漲子場(chǎng)和引力場(chǎng)的漲落。暴漲子場(chǎng)是駕馭宇宙暴漲的場(chǎng)，它為最終轉(zhuǎn)換成物質(zhì)和輻射作了主要貢獻(xiàn)。換句話說，暴漲子場(chǎng)漲落對(duì)早期等離子密度漲落作了主要貢獻(xiàn)。由于暴漲子場(chǎng)是標(biāo)量場(chǎng)，它所產(chǎn)生的漲落，有時(shí)也稱作為標(biāo)量漲落。這在衛(wèi)星探測(cè)器實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)被證實(shí)。

引力場(chǎng)當(dāng)然也有量子漲落，這些漲落產(chǎn)生了引力波。引力場(chǎng)是一種張量場(chǎng)，所以引力場(chǎng)的漲落有時(shí)也稱作張量漲落。在原則上，我們能探測(cè)引力波，這是因?yàn)樵谖矬w較遠(yuǎn)處引力波會(huì)拉伸物體，當(dāng)引力波通過物體時(shí)會(huì)擠壓它。這好比在海灘上，潮水沖上沙灘時(shí)海波會(huì)卷起沙子，而當(dāng)海潮退下后沙灘會(huì)留下波浪的痕跡。宇宙空間中當(dāng)然沒有沙子，只有微波背景輻射。無處不在的輻射是否會(huì)留下引力波的痕跡呢?答案很簡(jiǎn)單，引力波會(huì)給背景輻射留下痕跡！

為了闡明這個(gè)痕跡，我們不得不說一下極化這個(gè)概念。任何類型的電磁輻射都有極化，微波背景輻射也不例外。電磁波是傳播電場(chǎng)和磁場(chǎng)振蕩的漣漪，可以指定電場(chǎng)上下振蕩方向來定義極化方向。當(dāng)我們觀測(cè)多個(gè)光子形成的輻射時(shí)，每個(gè)光子的極化方向是隨機(jī)的，給出的疊加凈效應(yīng)幾乎接近于零。在我們使用白熾燈時(shí)，就是這種情形，宇宙背景輻射也幾乎是這樣。不過，科學(xué)家們通過仔細(xì)分析能測(cè)量出微波背景輻射中的極化殘余。

但是，暴漲子場(chǎng)漲落與引力子場(chǎng)漲落都能造成背景輻射的極化。這正是成也蕭何，敗也蕭何！成敗皆極化，不過此極化不是彼極化。通過仔細(xì)分析，極化存在著兩種形態(tài)：E模極化和B模極化。暴漲子漲落只造成背景輻射的E模極化，而引力波既會(huì)造成E模極化，也會(huì)造成B模極化。

用通俗的話來說，B模會(huì)產(chǎn)生一個(gè)渦旋狀的極化形態(tài)而E模不會(huì)。利用這個(gè)性質(zhì)，BICEP2團(tuán)隊(duì)觀測(cè)到了B模極化形態(tài)，并指出這是大爆炸后原初引力波的獨(dú)特印記。他們還定量地指出張量與標(biāo)量貢獻(xiàn)之比為0．2。

摘自2013年3月26日《文匯報(bào)》