有關原初引力波的實驗發現

本刊資料室

2014 年3月17 日，美國BICEP2合作組在哈佛大學史密森天體物理中心召開新聞發布會，宣布通過宇宙微波背景輻射的極化實驗首次探測到了原初引力波的信號（圖1）．這個實驗探測結論還有待驗證，若被證實，則是一項重大發現，將對整個物理學產生深遠的影響．

圖1 美國BICEP2合作組通過架設在南極的天文望遠鏡BICEP2發現了早期宇宙產生的原初引力波的“獨特印記”

1 什么是引力波

在狹義相對論建立的基礎上，1915 年，愛因斯坦建立了廣義相對論并導出了引力場方程

式中Rμν和R分別為描述時空特性的參數，gμν是時空基本度規張量，Tμν是物質張量，k是比例系數．根據對引力場方程的研究，1918 年，愛因斯坦從理論上預言了引力波的存在．

按電磁學理論，帶電物質做加速運動時，電磁場就會振蕩并發出電磁波．所以，電磁波就是傳播著的電磁場．

相類似，有質量的物質做加速運動時，引力場就會振蕩并發出引力波．所以，引力波就是傳播著的引力場．

2 引力波的性質

（1）引力波是橫波，在遠源處為平面波，有兩個獨立的偏振態．

（2）引力波攜帶能量，在真空中以光速傳播．

（3）在一般情況下，引力作用比電磁作用弱很多，例如，一對正、負電子，在同等距離的情況下，引力與靜電力之比為

因此，一般質量的物質做加速運動時所產生的引力波非常非常非常弱，只有宇宙中大質量天體的加速運動，才能產生較強的引力波．但是，它們傳播到地球時則非常非常弱，例如，引力輻射最強的雙星系獅子座UV到達地球表面的能流只有3．5×10－12爾格／（厘米2·秒），再加上物質對引力波吸收效率極低，所以，直接探測引力波極為困難．曾有人宣稱在實驗室里探測到了引力波但未得到公認．過去的情況是，天文學家只能通過觀測雙星軌道參數的變化來間接驗證引力波的存在 ．

（4）引力波的穿透性極強，可開發成為遠距離傳遞信息而衰減很小的技術．

3 什么是原初引力波

關于宇宙的起源，有不同的學說，最著名的是宇宙大爆炸理論．該理論認為，約在137 億年前，宇宙發生了原始爆炸（溫度達1032K）并不斷膨脹；原始爆炸后10－6s（溫度降為1013K），物質只能以中子、質子、電子、光子和中微子等基本粒子形態存在，各種粒子相互碰撞、相互轉化處于平衡之中；原始爆炸后20 min（溫度降到108K）氦核形成；原始爆炸后2×105年（溫度降到4×103K）元素開始復合；隨著溫度降低、體積膨脹，逐步形成原子、分子，并復合成為通常的氣體．氣體逐漸凝聚成星云，星云進一步形成各種各樣的恒星和星系，最終形成我們現在所看到的宇宙．宇宙大爆炸理論解釋了多數宇宙現象（3K微波背景輻射、天體的年齡、氦的豐度等），因而基本得到公認．

但大爆炸理論并非與所有天文觀測結果相吻合．因此，1980 年，麻省理工學院科學家阿蘭·古斯等人提出“宇宙暴漲理論”，認為宇宙在大爆炸之后的短暫時期（10－35s左右）曾經歷過一個急劇快速膨脹的階段，稱為暴漲．在暴漲階段，物質有強烈、快速的變化，會發出非常強的引力波．在暴漲階段發出的引力波稱為原初引力波．因此，如果科學家能探測到原初引力波，那么，就意味著對宇宙的起源、形成、發展有更清楚、更深刻的認識．

4 原初引力波的實驗發現

根據宇宙暴漲理論，宇宙早期曾經歷過一次大規模的快速膨脹．若確實發生過，就會在宇宙中遺留下在大爆炸之后38 萬年時的特征性光輻射，即宇宙微波背景輻射（cosmicmicrowavebackground，CMB），原初引力波的B模偏振信號則會疊加在宇宙微波背景輻射之中．為了探測到宇宙暴漲留下的痕跡（B模偏振信號），需要一臺可以辨別溫度微小變化的望遠鏡，精密度要求到1℃的百萬分之一．哈佛大學的約翰·科瓦克博士等，2006 年開始探測原初引力波的實驗研究，BICEP1項目于2006 ～2008 年在南極進行，后繼實驗BICEP2采用了新的探測器技術，于2010 年開始搜集數據，直到2012 年．在探測中，他們得到一張疊加在宇宙微波背景輻射之中的偏振圖（圖2），它的樣子像是在磁場中灑在一個平面上的鐵粉，擁有一種獨特的，略呈渦旋狀，或卷曲狀的形態，它就是B模式偏振，是原初引力波留下的“獨特印記”．BICEP1與BICEP2是兩種完全不同的儀器，采用完全不同的技術，但卻檢測到同樣的信號，經過3年多的縝密分析，排除了其他可能的來源，確認B模式偏振是原初引力波導致的結果．

圖2 分析得出的原初引力波“獨特印記”——B模式偏振

5 結論有待進一步驗證

BICEP2合作組宣布的已發現原初引力波的“獨特印記”，是經過3年多縝密分析得出的結論．但還有些疑問有待澄清，例如，尚未排除觀察到的B型偏振模式的所有可能的非暴漲源的可能性，為什么在BICEP2的數據中觀察到的B模偏振性要比歐洲的普朗克空間望遠鏡得到的結果高出幾乎兩倍……由于事件的復雜性，已發現原初引力波的結論有待進一步驗證．期待著其他原初引力波研究小組的觀察結果．