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本文发表于《科学画报》 2014 年第 5 期 (上海科学技术出版社出版)。

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来自襁褓宇宙的线索

- 卢昌海 -

本文是替《科学画报》撰写的专栏短文, 本站版本在若干人名和术语初次出现时注有英文。

喜欢侦探小说的读者都知道, 侦探小说的写法千变万化, 有一点是不变的, 那就是当侦探们赶到到现场时, 罪案早已发生过了。 研究宇宙起源的科学家们的处境跟侦探们相似, 他们赶到现场的时间也晚了, 而且晚得很厉害——晚了约 138 亿年。

因此, 留给他们的课题也跟侦探们相似, 那就是依据现场残留的线索来复原 “罪案” 的过程。

1929 年, 美国天文学家哈勃发现了一条重大线索: 附近的星系大都在离我们而去, 而且距离越远离开得越快。 这条线索支持了科学家们此前就注意过的一种可能性: 宇宙在膨胀。

如果宇宙在膨胀, 那么越往远古回溯, 宇宙就越小, 甚至有可能存在某个时刻, 能被追认为是宇宙的诞生。 在那个时刻, 一场大爆炸缔造了宇宙, 我们则全都是它飞散的 “碎片”。 1964 年, 美国天文学家彭齐亚斯 (Arno Penzias) 和威尔逊 (Robert Wilson) 发现的另一条重要线索有力地支持了这种可能性。 那就是所谓的 “宇宙微波背景辐射” (cosmic microwave background radiation), 它的温度约为 3K (即约为零下 270 摄氏度), 被认为是 “大爆炸” 的余温。 宇宙微波背景辐射不仅确立了被称为 “大爆炸” (the Big Bang) 的宇宙起源理论的主流地位, 而且成为了后续探索的重要领域。

不过, 大爆炸理论虽取得了主流地位, 却也面临一些棘手的困难, 比如某些理论计算预期, 宇宙中应充斥着所谓的 “磁单极” (magnetic monopole)——一种从未被发现过的粒子。 为了解决那些困难, 20 世纪 70 年代末 80 年代初, 美国物理学家古斯 (Alan Guth) 等人提出并发展了一个假设, 那就是在大爆炸初期的一个极短的时间内, 宇宙经历过一个被称为 “暴胀” (inflation) 的近乎指数形式的膨胀阶段, 这种暴胀不仅可以 “稀释” 掉磁单极, 而且也能解决其他几个困难。

20 世纪末 21 世纪初, 宇宙背景探测器 (Cosmic Background Explorer——简称 COBE) 和威尔金森微波各向异性探测器 (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe——简称 WMAP) 等太空探测器在宇宙微波背景辐射的温度分布中发现了进一步的线索, 对包括暴胀理论在内的大爆炸理论提供了支持, 并且以空前的精度确定了许多宇宙学参数的数值。

但是, 一些其他理论——比如其他引力理论——也在试图解释这些线索。

那些理论的命运会如何呢? 科学家们 2014 年 3 月发布的一条来自襁褓宇宙的新线索有可能对之作出某种程度的判决。 与以前的线索相比, 这条新线索与暴胀理论有着更密切的关联, 它直接起源于暴胀阶段产生的所谓 “原初引力波” (primordial gravitational wave)。 原初引力波虽出现在 138 亿年前, 但它能影响宇宙微波背景辐射的光子偏振, 产生出一种被称为 B 模 (B-mode) 的分布模式, 从而在今天依然有可能被间接观测到。 为了观测这种 B 模, 科学家们于 2006 年在南极点附近建立了专门的观测站——BICEP (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization)。 自 2010 年起, 该观测站启用了第二代设备——称为 BICEP2。 之所以要把观测站建在南极点附近, 是因为那里的天气较为稳定——尤其是在漫长的 “极夜” (polar night) 期间, 并且因寒冷而干燥, 降低了大气中水汽对观测的干扰。 在那样的条件下, 经过三年的数据积累, 外加对许多其他因素的细心排除, 科学家们终于得到了这条新线索。

在南极的冰原上仰望苍穹, 居然能窥视到襁褓时期的宇宙, 这是何等地动人心魄?

这条新线索的重要性体现在多个方面: 首先, 它不仅是对已存在间接证据的暴胀理论和引力波的再次支持, 而且从某种意义上讲, 还是量子引力 (quantum gravity) 的第一个间接证据——因为原初引力波的产生是一种量子引力效应; 其次, 它为科学家们提供了一个窥视最早期宇宙 (最初一亿亿亿亿分之一秒以内) 及最高能物理 (比目前最大的粒子加速器所能达到的能量还高一万亿倍以上) 的重要手段; 最后但并非最不重要的, 是它有助于排除某些理论, 其中包括暴胀理论的某些变种——因为这种 B 模在很多理论中是不存在或比观测到的小得多的。 这方面的一个有趣的例子, 是英国物理学家霍金 (Stephen Hawking) 表示, 这条新线索的发布意味着他赢得了跟同事的一个赌局, 因为那位同事所主张的就是一个不存在 B 模的理论。

不过, 那位同事并未即刻认输, 理由是有能力观测 B 模的欧洲太空署 (European Space Agency) 的普朗克卫星 (Planck satellite) 曾于去年发布过数据, 依据那些数据的估算却未曾得到幅度相似的 B 模。 这一理由提醒人们注意一个容易因兴奋而忽视的环节: 复核。 科学研究离不开复核, 事实上, 就连最能从这条新线索中 “受益” 的古斯也表示 “在未得到不止一组确认之前, 没有任何实验能被太认真地看待”。 普朗克卫星的数据为什么没有得到幅度相似的 B 模? 是欧洲人 “大意失荆州”, 还是别有原因? 将由复核来确定。 复核的途径是多种多样的, 除检验已有的数据外, 普朗克卫星预计将在几个月内发布新数据; 第三代的 BICEP 正在建设之中; 其他一些研究组也在进行类似的观测…… 他们能否证实这条新线索, 是一个令人期待的悬念。

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网友讨论选录

  • 网友: 卢昌海   (发表于 2014-03-27)

    蒙编辑惠允, 本文在本站提前刊出, 转载时请注明 “《科学画报》”, 谢谢。

  • 网友: 星空浩淼   (发表于 2014-03-28)

    科普得很到位!

    关于 “宇宙大爆炸最初多少多少亿分之一秒” 的流行说法, 应该是假设膨胀的宇宙逆时间倒退回去, 用我们的钟来衡量的时间。 尽管如此, 我感觉此说法也许不够完美——该说法, 就好比在宇宙之外有一个观测者观看宇宙大爆炸。 可我们知道宇宙大爆炸, 是连同时空一起膨胀、 连同时空一起创生出来的, 在 “起初” 宇宙的时间是如何定义的呢?

  • 网友: weiqi   (发表于 2014-03-31)

    卢先生您好, 谢谢您的科普。 昨天听了中科院的一个报告, 报告人说 “这可以说是黑体辐射发现以来最重要的物理发现之一”, 对此您怎么看?

  • 网友: 卢昌海   (发表于 2014-03-31)

    To 星空兄: 此处所说的时间既是坐标时间, 也是随动坐标系里的固有时——如果愿意想象观测者的话, 就是随动观测者观测到的时间。

    To weiqi 网友: 这说法大概是参照了美国天文学家 Mac Kamionkowski (BTW, 此人跟我曾有 “同系之谊”, 并且是我昔日同学陈学雷的老板:-) 的 “这是本世纪最伟大的发现” 的评价。 我个人认为这个评价目前还很难说是否确切, 关键要看通过这类观测到底能窥视到极早期宇宙的多少细节。 若足够多, 甚至多到能发现一些全新的量子引力线索, 突破理论物理学家们已有的猜测, 则或可无愧。 否则则未必成立, 或恐怕会有争议。

  • 网友: weiqi   (发表于 2014-04-01)

    谢谢卢先生介绍。 这个发现为何能够为弦理论的发展提供依据? (因为报告主持人是搞弦理论的卢建新教授, 但他没有展开说。)

  • 网友: sage   (发表于 2014-04-05)

    严格的讲, 不仅排除了暴胀理论的一些变种 (这种变种本来支持者就很有限), 而且排除了很多种暴胀理论。 剩下的其实是很多人并不看好的一种。

    “这个发现为何能够为弦理论的发展提供依据? (因为报告主持人是搞弦理论的卢建新教授, 但他没有展开说。)”——由于这个暴胀理论发生在大家认为弦理论会出现的能级, 所以从弦论出发考虑问题很自然。 会对弦论的一些具体模型有指导作用。 以前也有不少基于弦论的暴胀模型, 有不少已经被这次的发现排除了。 建新也不是这方面的专家。

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