探測宇宙最初的暴漲理論

鄧雪梅/編譯

坐落在南極的BICEP2射電望遠鏡探測到來自于宇宙大爆炸后瞬間的引力波印記

如果想象一下大爆炸理論會令你頭疼的話，那么大爆炸后瞬間所發生的事情會讓你更加難以想象。宇宙學家們認為剛剛創生不久的宇宙——此時物質和能量極其致密和炙熱——經歷了一場比光速還要快的瞬間膨脹。就像一個神奇的氣球，宇宙在短短10-32秒的時間里膨脹到原來大小的60倍。這一階段，被稱為暴漲，該過程甚至在宇宙演化還不到1秒的時間之前就早早結束了。

探測到引力波痕跡

現在，就在宇宙演化的137億年之后，宇宙學家們探測到了這個暴漲階段的第一個直接證據——這也是宇宙學領域20年中的最大發現之一。通過研究宇宙微波背景（CMB）——它是大爆炸遺留物——他們辨認出了引力波留下的痕跡。引力波是整個宇宙時空結構中的漣漪。在宇宙誕生之后，引力波便在宇宙中傳播。這些引力波在宇宙微波背景中留下的印跡是理論學家幾十年之前預測的結論。不久前，哈佛大學史密森天體物理中心宣布，類似于電磁相互作用等其他基本作用力一樣，在最小尺度上的引力也遵循著量子力學的規律。

“這是一個令人震驚的結果。”麻省理工學院的宇宙學家艾倫·古斯（Alan Guth）說。他也是暴漲理論最早的提出者之一。古斯并沒有參與史密森天體物理中心宣布的科學研究，之前他發誓要保守秘密以后，研究人員曾向他展示了一份手稿。“這一觀測的可信度非常高，”他說。斯坦福大學的宇宙學家安德烈·林德（Andrei Linde）表示贊同：“如果這些結果是正確的，那么暴漲理論已經通過了迄今最難的檢驗。”他也是暴漲理論的建立者之一。

這一發現來自于設置在南極上的一臺小而尖端的望遠鏡：宇宙河外偏振背景成像（BICEP）望遠鏡。如同可見光和其他種類的電磁輻射一樣，宇宙微波的電場和磁場可以沿著任意方向無數次的振蕩。研究人員通過使用BICEP望遠鏡來繪制在不同天區中宇宙微波背景的方向或極化。數據來自于2010年1月到2012年12月間一小塊天區，研究人員發現了在宇宙微波背景中一個隨機的微弱螺旋式偏振模式。這個螺旋式偏振模被稱為B模，它是原始宇宙中引力波的印記。并且正如宇宙學家們指出的一樣，B模也是暴漲存在的確鑿證據。

“我們認為，引入B模可能是引力波的唯一途徑。”哈佛大學宇宙學家約翰·科瓦奇（John Kovac）說。他是BICEP項目的四個主要研究者之一。

其重要性不言而喻

根據宇宙學標準模型，當宇宙剛誕生之時，它包含了一個與電場類似的量子場，這個量子場充滿了量子漲落。暴漲把這些十分微小的漲落放大成巨大尺度，并把這些漲落留在了密度、能量和物質中。這些留在密度、能量和物質中的漲落最終形成了我們今天所看到的宇宙結構，比如星系以及其他一切。這種漲落也在宇宙微波背景溫度中產生變化。通過觀測遍布全天的宇宙微波背景輻射，宇宙學家已經確定宇宙成分包括了普通物質、神秘的暗物質和怪異的暗能量。

然而，由于量子力學不僅在大爆炸中產生的量子場會不斷漲落，整個時空也在不斷地漲落。暴漲把時空中的引力波拉長了數十億光年的波長。這些引力波在宇宙微波背景中留下了印記，在某種程度上散射的宇宙微波背景光子產生了科瓦奇和他的同事所看到的極化模式。

BICEP利用了一些其他實驗，包括歐洲空間局的普朗克探測器。普林斯頓大學宇宙學家蘇珊娜·斯塔格斯（Suzanne Staggs）說，當聽到這個消息時她感到很震驚。她在智利從事阿塔卡馬B模搜索項目。“我越想越激動，因為信號是如此之大。”她說。

科瓦奇指出，該實驗的成功在很大程度上是得益于測量微波背景輻射極化技術的發展。用于進行觀測的望遠鏡探測器是由加州理工學院杰米·博克（Jamie Bock）所帶領的團隊建造的，該團隊曾參與研發普朗克探測器。鑒于普朗克于2007年發射升空，“我們已經能夠從事研發這臺望遠鏡并不斷升級探測器。”科瓦奇說。此外，普朗克探測器搜尋整個天區，而BICEP的望遠鏡則集中于一小塊天區。“現在，我們正急切地等待著普朗克數據的極化結果。”科瓦奇說。

B模的發現僅僅是個開始，研究人員說。目前信號的強度告訴理論學家們在宇宙暴漲期間的能量密度。通過研究天空中較大和較小的B模統計分布，它們或許可以能拼合原始宇宙中能量和密度分布的詳細圖像。這將有助于明確一個精確的暴漲模型。

“對我們來說，這是巨大的，其重要性不言而喻。”約翰·霍普金斯大學宇宙學家馬克·卡米奧庫斯基（Marc Kamionkowski）說。“并不是每天早上你醒來都能發現在宇宙大爆炸之后的10-36秒發生了什么事情。”