宇宙背景微光中寻获引力波印迹!

大爆炸余热

大爆炸余热——宇宙微波背景辐射中,由引力波产生的B模式极化信号(图中的卷曲形状)。据说,这是宇宙诞生的最初一瞬间发生过暴涨的首个直接观测证据。图片来源:哈佛-史密松天体物理中心

北京时间3月18日凌晨,美国哈佛-史密松天体物理中心召开新闻发布会,宣布了一项重大发现:他们在宇宙微波背景辐射中找到了由引力波留下的B模式极化信号。这一发现堪称宇宙学研究的“圣杯”,被誉为是“观测宇宙学又一个划时代的发现”。那么,这一发现到底是怎么回事,又有着什么样的意义呢?来看看天文学家Phil Plait在他名为“BadAstronomy”的博客上写下的这篇评论文章吧。

这可是个大新闻:天文学家已经正式宣布,他们首次看见了极早期宇宙中“暴涨”的直接证据,破解了宇宙演化历史的一个全新篇章。这一发现还在很深的层次上将相对论和量子力学联系在一起,这是以前从来没有出现过的事情。

这个消息非常重要,也非常有趣。不过,它也极为艰深——大概是我曾经写过的最复杂的发现。这跟希格斯玻色子可不一样,至少后者还能用一两句话说清楚个大概。但这一新发现揭开了宇宙深化历史中一个关键的节点,对物理学也有着深远的影响。

那么,这到底是怎么回事呢?

瞬间暴涨
我们知道,宇宙正在膨胀。不论我们朝哪里看,遥远的星系他们都在远离我们而去。如果我们把时钟反转回去,这就意味着,宇宙在过去要比现在更小,在某个时间点体积必定(接近)为零。时间上的这一点通常被称为“大爆炸”(the Big Bang),这是宇宙开始膨胀的起点。我们现在,距离大爆炸已经有138.2亿年了。

当然,在此期间发生了很多事情,其中又有许多事情发生在大爆炸后最初远远不到1秒的那一瞬间。暴涨便是其中之一。

我得承认,暴涨会让你的脑子有一点点转筋。它发生在大爆炸后大约10-35秒。为了让你能够更直观的理解这么短时间大概有多短,我们换一个表达方式,那就是0.00000000000000000000000000000000001秒!它只持续到了大爆炸后大约10-32秒,因此以人类的标准来看,这是极短的。但我们的宇宙正是在如此短暂的瞬间被“锻造”出来的。

在此期间,出于目前还不清楚的一些原因,宇宙经历了一场极端的膨胀。那种膨胀是加速的,跟现在宇宙膨胀的速度完全不可同日而语。有些模型表明,在暴涨期间,宇宙的大小增加了1050倍(有些模型甚至认为更多)——换句话说,宇宙在对我们来说小到完全没有意义的那一瞬间,变大了100亿亿亿亿亿亿倍。

就像我之前说过的,暴涨会让你的脑子有一点点转筋。

为什么要暴涨?
我们之所以认为暴涨曾经发生过,是因为宇宙看起来非常均匀平滑。你可能会觉得,宇宙一点儿都不平滑,明明有些地方密密麻麻挤满了物质和能量,而其他地方却完全是空空荡荡的。但是,如果在一个真正巨大的尺度上去看遥远而又古老的宇宙,我们就会发现宇宙平滑到了让人感到不可思议的地步。望远镜可以遥望宇宙深处,检验宇宙诞生时遗留下来的余热,测量其中的起伏。令人吃惊的是,其中起伏的幅度仅有大约10万分之一。暴涨解决了这个难题:宇宙一开始是疙疙瘩瘩的,但在那段极端膨胀的时期内,所有的起伏都被抹平了。就好像一块皱皱巴巴的床单,从各个方向拉床单,上面的皱褶就消失了。

不仅如此,暴涨还解决了宇宙几何形状的难题。我不会在这里解释细节,如果你感兴趣,可以去找更多的内容来阅读。重点在于,天文学家构想出了暴涨这个点子,用来解释我们在现在的宇宙中看到的一些古怪特性,而且暴涨也确实很好地完成了任务。这么多年来,它都表现很好。

但问题在于,所有这些都只能是间接证据。科学家更喜欢直接证据,但我们之前还没有找到过暴涨的任何直接证据。

时空中的涟漪
直到现在。这正是最新公布的这些结果所要证明的事情。暴涨模型预言,还有其他的标记被遗留在宇宙之中,其中之一便是:宇宙在经历迅速膨胀的时候,会在时空结构中产生出涟漪,被称为引力波。这些引力波,实际上就是空间本身十分细微的膨胀和压缩,它们会像声波一样在时空连续体中传播。我们知道引力波是存在的——我们在天文学观测中看到过它们产生的作用,还有两位天文学家因为发现了引力波的实例而分享了1993年的诺贝尔物理学奖。但是,想要看见来自宇宙暴涨时期的引力波,是一件极其困难的事情。

我们看不见这些引力波,但我们可以检测它们光线的影响,确切地说,那些光线来自早期的宇宙。引力波会使这些光线发生极化,在某种意义上说,相当于以特定的方式把这些光波排列起来。使光线发生极化的方式可以有许多种,它们都各不相同,但是引力波可以留下一种非常特殊的极化模式(被称为B模式极化,能够扭曲和卷曲极化的方向,参见本文题图)。在宇宙大爆炸留下的余光中找到这种极化模式,就会成为引力波的明确证据。而B模式极化信号,正是位于南极洲的一台名为BICEP2的望远镜最终检测到的极化模式。

还能跟得上吗?我知道,这些东西看起来离我们的日常生活都极其遥远,但事实上,这确实是非常大的一件事情。在不久以前,暴涨还只是一个非常棒的想法,是理解我们的宇宙如何从最初诞生的那一刻演化到今天我们所见包罗万象的关键一环,但是没有任何直接的证据证明它确确实实发生过。现在,我们有直接证据了。

填补空白
打个比方来说,这就好像我们试图去写一本关于美国的历史书,一直都在谈论南北战争,却连它到底发生在什么时候都弄不清楚。现在,我们突然发现了照片,找到了日记,还确定了战场遗迹。发现由暴涨产生的引力波导致的B模式极化信号,就好像关于宇宙的历史书第一章前面的空白页上又出现了一些白纸黑字。

这些光向我们展示了,宇宙在诞生之后最初远远小于1秒的时间段内,到底发生了什么。这相当关键。理论学家已经提出了许多不同的物理模型,来描述暴涨可能如何发挥作用。类似的观测将帮助我们厘清哪些模型能行,哪些不行,又有哪些模型可能需要调整。比方说,这些引力波的强度要比模型预言的更强,于是你就会知道,有许多宇宙学家现在正站在黑板前,或埋首于纸堆之间,或者双手交叉在脑后仰躺在座椅上,苦苦思索着哪些变量、哪些参数、哪些方程必须要如何摆弄一下,才能再现出这些新近获得的观测结果。

暴涨是宇宙发生巨大相变的一个时期。发现它的直接证据,也会让我们理解宇宙的方式发生类似的巨大改变。

我之前提到过的希格斯玻色子,是现代粒子物理学的关键所在,发现它存在的证据是一件非常重大的事情。发现来自暴涨的引力波存在的证据,在宇宙学领域也是一件同等重要的事情。只要这一发现经得起检验,某些人因此获得诺贝尔物理学奖就是十拿九稳的事情。

但这对你又意味着什么呢?当然,这取决于你自己。我们中的大多数人都可以幸福快乐地过着我们的小日子,不用去过度担心引力波啦、亚原子粒子啦,或者宇宙在创生的最初一瞬间到底是什么样子。

但是,你也可以这样想一想:现在,我们能够理解宇宙在创生的最初一瞬间到底是什么样子了!这不是胡思乱想,也不是道听途说或者坊间传言。这项工作是大量研究的成果,是我们人类将数学、科学、物理学和技术运用了数百年之后,小心求证而得到的知识,是经得起科学检验、不怕火炼的“真金”。至少到目前为止,确实如此。

这一发现也有实际的意义。暴涨是基于量子力学而提出的,引力波却属于相对论的范畴。量子力学已经给我们带来了计算机、太阳能、原子能等大量的现代科技。相对论在许多方面对我们的日常生活同样意义重大,比如GPS全球定位系统,以及核电站。过去,这两个概念无法相容,但是现在,我们找到了两者之间一个直接而又深远的关联。这个结果还很新,我们还有很长很长的路要走,才能更好地去理解它。我们不知道这一关联会给我们带来什么。至少现在还不知道。但每次我们开启一片新的科学领域,总会有各种各样有趣的东西随之而来。拭目以待好了。

最后一点,我本人并非宇宙学家;我是天文学家。但我同样是人类的一员,当我仰望夜空,或者透过望远镜看到一幅璀璨影像时,我会好奇它们都是哪里来的,为什么万事万物会是现在这个样子,又是什么令我们所处的宇宙变成了今天我们看到的样子。我打赌,你对此也曾经好奇过。

从我们人类有能力提出问题时起,这些问题就一遍又一遍被人提出。现在,科学正在回答它们。

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