張輝

“宇宙中最不可理解的事情，就是宇宙是可以被理解的。”千百年來，科學(xué)家們一直在探尋宇宙是什么時(shí)候、如何形成的。關(guān)于宇宙的起源，影響深遠(yuǎn)的理論之一就是宇宙大爆炸理論。近日，科學(xué)家宣布找到了宇宙大爆炸的證據(jù)。這一結(jié)果表明人類將會(huì)知道：宇宙是如何誕生的？我們是怎么來的？

引力波——宇宙大爆炸的證據(jù)

1932年，比利時(shí)牧師兼物理學(xué)家喬治·勒梅特首次提出現(xiàn)代宇宙大爆炸理論，認(rèn)為宇宙由大約138億年前發(fā)生的宇宙大爆炸形成。但大爆炸理論并沒有與所有天文觀測結(jié)果相吻合。為解釋疑點(diǎn)，半個(gè)世紀(jì)后，麻省理工學(xué)院科學(xué)家阿蘭·古斯等人提出“宇宙暴漲理論”，認(rèn)為宇宙大爆炸后的極短暫時(shí)期內(nèi)，曾經(jīng)歷過一個(gè)急劇快速膨脹的階段，這就是“暴漲”。如果宇宙初創(chuàng)之時(shí)被猛烈地撕開，那么這種時(shí)空的急速變化會(huì)帶來引力場的變化。大爆炸發(fā)生時(shí)，就產(chǎn)生了原初引力波。所以對(duì)宇宙來說，引力波就像宇宙的黑匣子——記錄宇宙形成時(shí)的全過程；它也像活化石——不會(huì)因?yàn)闀r(shí)空的變幻而消失，會(huì)久久回蕩在時(shí)空中。

早在1916年，愛因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在。廣義相對(duì)論認(rèn)為，物質(zhì)和能量會(huì)造成時(shí)空的擾動(dòng)，就像重物壓在床墊上會(huì)凹陷一樣。正是這種時(shí)空的擾動(dòng)或扭曲產(chǎn)生了引力。所以說，引力波是攜帶能量穿過宇宙的漣漪。但是宇宙還在持續(xù)地膨脹，以至于這些原始的引力波對(duì)時(shí)空的攪動(dòng)，就像愛因斯坦預(yù)言的一樣，微不足道。 愛因斯坦當(dāng)時(shí)指出引力波現(xiàn)象將極其微弱，他認(rèn)為人類也許無法實(shí)際探測到。

幸運(yùn)的是，近100年之后，北京時(shí)間2014年3月18日凌晨，哈佛大學(xué)史密松天體物理中心的約翰·科瓦克博士向世界宣布，他和他的射電天文學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了來自宇宙大爆炸的引力波證據(jù)！這一結(jié)論是科學(xué)家們對(duì)宇宙微波背景輻射經(jīng)過為期3年的研究后得出的?？茖W(xué)家認(rèn)為：這是約138億年前，創(chuàng)造宇宙的大爆炸產(chǎn)生的痕跡，我們將因此“看到”宇宙是怎么誕生的；這是宇宙暴漲理論的第一個(gè)直接證據(jù)。

找到宇宙大爆炸的證據(jù)

138億年過去了，如何尋找宇宙第一波？它并不像金縷玉衣等文物一樣可觸摸，也不像一縷陽光或一陣清風(fēng)能被感觸。它微弱的波動(dòng)信號(hào)，被小心地隱藏在宇宙微波背景輻射中——宇宙大爆炸發(fā)生后大約38萬年時(shí)，當(dāng)光第一次可以在宇宙中自由傳播時(shí)留下的遺跡。

干燥而大氣稀薄的南極成為宇宙“考古發(fā)掘”的最佳地點(diǎn)，原因是宇宙微波背景輻射的波段極容易被水蒸氣所吸收?！巴诰蚬ぞ摺笔且环N叫作宇宙泛星系偏振背景成像（Bicep）的望遠(yuǎn)鏡。在長達(dá)6個(gè)月的南極極夜時(shí)間，它緊緊盯著太空中“最干凈的一塊天區(qū)”——一塊差不多相當(dāng)于1000個(gè)月球拼成平面那么大的地方——仔細(xì)尋找引力波的信號(hào)。

計(jì)算表明，原初引力波作用到微波背景光子，會(huì)產(chǎn)生一種叫作B模式的特殊偏振模式，其他形式的擾動(dòng)都產(chǎn)生不了這種B模式偏振，因此B模式偏振成為原初引力波的“獨(dú)特印記”。觀測到B模式偏振即意味著引力波的存在。如果你厭煩這些晦澀難懂的術(shù)語的話，那么以下這個(gè)比喻，或許有助于你理解科學(xué)家研究之困難：如果把宇宙微波背景輻射比作一望無際、深達(dá)幾千米的海洋，那么這種B 模式偏振的強(qiáng)度，就像是微風(fēng)在洋面上吹起的細(xì)小波紋。但是，幸運(yùn)的是，研究人員此次在南極發(fā)現(xiàn)了比“預(yù)想中強(qiáng)烈得多”的B模式偏振信號(hào)，隨后經(jīng)過3年多的縝密分析，排除了其他可能的來源，確認(rèn)它就是原初引力波導(dǎo)致的。“這就好像要在草堆里找一根針，結(jié)果我們找到了一根鐵撬棍。”科學(xué)家感慨到。

找到該引力波，就意味著暴漲宇宙學(xué)的模型基本上被證實(shí)了。暴漲宇宙學(xué)是目前最成功的描述極早期宇宙演化行為的模型。其所有預(yù)言，除了引力波之外，都已經(jīng)被觀測證實(shí)?，F(xiàn)在引力波也發(fā)現(xiàn)了，基本上這個(gè)模型不再有什么重大問題了。

關(guān)于宇宙起源還有很多謎題

但是即使宇宙大爆炸理論被證實(shí)，關(guān)于宇宙起源還有很多未解之謎。例如，宇宙暴漲發(fā)生的物理機(jī)制是什么？暴漲之前是什么階段？暴漲是怎樣結(jié)束的？宇宙中的物質(zhì)是怎樣產(chǎn)生的？宇宙中96%都是看不見摸不著的東西，被科學(xué)家稱為宇宙的暗物質(zhì)和暗能量。研究暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)是當(dāng)今粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)面臨的最大挑戰(zhàn)之一。

【責(zé)任編輯】蒲 暉