探秘決定宇宙命運的瞬間

錢煒

墨鏡、笨重到會影響行動的防寒服與手套、凍得發紅的皮膚…… 照片上的約翰·科瓦克看上去更像是一名冰雪世界探險者，而不是出身于常春藤名校的天文物理學家。過去23年間，他曾23次踏上南極那片荒涼極寒之地。他們的觀測裝備——宇宙河外偏振背景成像望遠鏡（BECEP）就位于南極極點的美國科考站。如今，那些仰望星空的孤獨長夜終于有了回報——

3月17日，科瓦克的團隊在美國波士頓宣布：他們發現了宇宙微波背景輻射（CMB）B模式的存在，這是宇宙大爆炸早期產生的引力波的印跡，也是宇宙暴脹理論的直接證據。此時，距離愛因斯坦提出廣義相對論已過去近一個世紀，也是CMB被發現以來的第50個年頭。

這個發現為還只是哈佛大學助理教授的科瓦克的前路鋪滿鮮花。美國麻省理工學院（MIT）教授阿蘭·古斯在接受英國《自然》雜志采訪時就明確表示，這“絕對”是一項可以獲得諾貝爾獎的研究。實際上，古斯自己也該非常開心，因為他正是提出宇宙暴脹理論的第一人。很多人都認為，古斯與科瓦克等人將很快一起分享諾貝爾獎。而國內中山大學天文與空間科學研究院院長李淼說得更加明確：也許就在2015年，不會晚于2016年。

回眸宇宙的38萬歲

最初吸引科瓦克走上天文學這條路的，是諾貝爾物理學獎得主史蒂芬·溫伯格的一本書《宇宙最初三分鐘》。這是本宇宙學入門秘籍。溫伯格在書中寫道，在1950年代，研究宇宙的誕生這個問題，還被注重體面的科學家們不屑一顧，因為當時無論是理論還是觀測的基礎都不具備。但僅僅過了10年，也就是1964年，科學家們發現了宇宙微波背景輻射，證實了大爆炸理論，從此，宇宙學開始成為一門嚴肅的學科被認真研究和討論。

當時，還是高中生的科瓦克讀到這本書，覺得很酷，他覺得，科學里再沒有比研究宇宙更大的問題了。這本書1977年首次面世時就大受歡迎，作者在1993年增補內容后再度出版。而宇宙微波背景輻射的發現者則在此書出版后第二年就獲得了諾貝爾獎。

在亞馬遜英文網站，這本書與阿蘭·古斯寫的《暴脹宇宙：追尋宇宙起源的新理論》放在一起，被推薦搭配購買。這是因為，古斯的暴脹理論，正是建立在宇宙大爆炸學說和CMB基礎之上。

蘇萌是MIT物理系和卡弗里天體物理研究中心的博士后研究員，同時也在哈佛大學天文系兼職，曾在2008～2012年追隨科瓦克攻讀博士學位并主要參與了BECEP1項目。他在接受《中國新聞周刊》采訪時解釋說，在宇宙發生大爆炸后的起初一段時間里，溫度密度都很高，就像一碗“熱湯”。這時沒有原子，質子和電子都只能以游離狀態存在，一旦它們結合，就會馬上被周圍無數的高能光子“拆散”。直到宇宙的38萬歲那一年，由于宇宙的持續膨脹，這碗“湯”的溫度密度已經降到足夠低，光子的能量越來越低，能撞到電子的概率也微乎其微。原子開始結合，恒星與星系的種子開始生長……此后，這些光子就成了無關緊要的背景，在宇宙中孤獨穿行，直至今天，被地球上的人類探測到，被稱為宇宙微波背景輻射。

當大爆炸模型成為解釋宇宙起源的主流理論后，科學上還是有一些問題無法解釋清楚。在理論上，宇宙微波背景輻射應該很不均勻，可實際上，人們卻可以從天空各個方向看到CMB，且在各個方向上都驚人地相似——這就形成了一個悖論。

宇宙誕生的最初一瞬間

1979年，還只是一名普通物理學博士后的阿蘭·古斯提出了一個驚人的假設。此時，這位戴著寬大眼鏡的理科宅男已經當了9年的博士后。他曾少年得志，沒念完高中，17歲跳級進了MIT，在那里念到博士學位。但之后的經歷卻平平淡淡，輾轉于普林斯頓、哥倫比亞與康奈爾大學，急缺一項出色的研究來確立自己的學術地位。

轉折發生在一位華裔博士后戴自海邀請他加入一項新的研究之時。這項工作直接催生了古斯的宇宙暴脹設想。（戴自海后來也成為著名高能物理學家，如今執掌香港科技大學高研院。）

古斯認為，在宇宙大爆炸的一瞬間，大概就在10-37秒與10-34秒之間，宇宙經歷了一個異常快速膨脹的階段，被他稱作暴脹。“這種暴脹，不是像原子彈那樣從一個中心點擴散到別處，而是類似地球的每一個角落都在發生爆炸。暴脹的程度，相當于在如此之短的時間內把頭發絲的直徑拉大到整個銀河系那樣的規模”，蘇萌形容說。暴脹理論可以解釋為何宇宙從大尺度上看來如此均勻的問題：因為是瞬間暴脹，所有物質在誕生之初都被賦予了相似的面貌。因此，即使后來各個天體間不再發生關聯，但卻擁有相似的宇宙微波背景輻射。1980年，古斯關于暴脹理論的論文發表，引起學界震動。他也收到了母校的邀請，回到MIT擔任教授至今。

“暴脹的一瞬間，已經決定了我們整個宇宙的命運”，蘇萌解釋說，實際上，現在已經有很多宇宙學家認為，我們的宇宙不止一次地發生過大爆炸，這一暴脹過程可能是循環往復的，同時，也存在著不止一個宇宙。而那些宇宙能夠演化成什么樣，會不會產生恒星與星系，會不會演化出像人類這樣的高智能生物，都取決于爆炸瞬間的暴脹過程。“你甚至可以說，如果沒有暴脹，就沒有今天人類回溯宇宙誕生瞬間的這件事。”

尋找圣杯

根據愛因斯坦的廣義相對論，暴脹的時空擾動會產生引力波。由于這種引力波產生于宇宙誕生之初，就被人們稱之為“原初引力波”。原初引力波疊加于宇宙微波背景輻射，使之產生了一種特有的偏振，被稱為B模式。要想找到原初引力波的蹤跡，就只能深入研究CMB。

然而，在古斯的暴脹理論提出30多年后，科學家卻遲遲沒有找到支持該理論的證據——原初引力波。世界上起碼有七八個團隊同時在做類似的研究，原初引力波成了宇宙學領域的一個圣杯。起初，被人們最寄予厚望的是2009年歐洲空間局發射的普朗克望遠鏡。它位于地球150萬千米之上的太空，角狀天線中藏有74個輻射計，全部指向宇宙最深處，背對著地球和太陽。早在兩年多以前，普朗克就完成了主要觀測計劃。

然而，歐洲1000多名科研人員對著普朗克傳回的海量數據分析了兩年后，盡管也發表了31篇論文，卻沒有什么令人激動的發現。而科瓦克的團隊從2006年開始在南極建設BECEP，在第一代儀器沒有做出驚人發現后，于2010年搭建了第二代BECEP2，很快就發現了原初引力波的跡象，并在和BECEP1的對比研究中得到證實。對此，科瓦克也驚喜異常，因為原初引力波非常微弱，他們原以為要等第三代望遠鏡投入使用后才能找到。“這就像是，你本來只打算在一堆柴火里找一根細針，沒想到卻發現了一根鐵棍。”

BECEP與普朗克的“勝負”，其實是兩種不同觀測思路的差異。蘇萌解釋說，太空中的干擾比地面少，背景更加干凈，這是普朗克的優勢。但由于是巡天望遠鏡，也就是說，普朗克觀測的是全天的宇宙微波背景輻射，數據量十分龐大，分析工作有著不小的難度。而BECEP只對準一小片特定的天區，對其進行長期觀測，因此可說是小而精。

之所以將BECEP設在海拔2800米的南極大陸，也并非偶然。這是因為，大氣中的水蒸氣會吸收微波輻射并產生新的輻射。而南極氣溫極低，空氣干燥，且至今沒有人類定居，能排除手機、電視廣播等電子設備帶來的信號干擾。

科瓦克是個幸運兒，他曾因差點落選哈佛教授的競聘而與今天的發現擦肩而過。據蘇萌回憶，2008年，哈佛天文系招聘，從幾百位申請人中篩選出5人進入最終面試，科瓦克就是其中之一。面試結果，科瓦克排名第三。但巧的是，排名前兩位的兩個人沒有接受哈佛的邀請，于是，科瓦克最終成為哈佛宇宙微波背景輻射研究團隊的領導人。受《宇宙最初三分鐘》的影響，科瓦克上大學時選擇了普林斯頓，因為那里有多位研究CMB的大師級人物。從1992年起，科瓦克就開始幾乎每年都去南極做天文觀測，曾有很多個圣誕節在冰原上度過。

發現原初引力波，在宇宙學領域具有里程碑式的意義。蘇萌說，“宇宙學的最大特點就是不確定性。現在我們只是確定了，在宇宙誕生之初確實出現過暴脹瞬間。接下來，科瓦克的團隊還在搭建第三代、第四代儀器，將對暴脹的具體細節做更多研究。”