美国科学家发现引力波 证实宇宙瞬间膨胀生成

　　2000多年前阿基米德在洗澡时发现了流体静力原理，兴奋地冲到大街上大呼：“Eureka！(找到了！)”而昨天，全世界天文学家在知道一个消息后大概都会喊出“Eureka！”在茫茫宇宙中，引力波存在的证据被找到了。

　　北京时间昨天凌晨，美国哈佛-史密松天体物理中心的科学家约翰·科瓦克(John Kovac)对外宣布，借助美国宇航局(NASA)的南极望远镜BICEP2，该中心的研究团队通过对宇宙微波背景辐射(CMBR)的研究找到了引力波存在的证据。这一发现成为宇宙暴涨理论的第一个直接证据。

　　 找到引力波存在直接证据

　　宇宙之初是什么？这一问题数千年来困扰着哲学家、科学家和整个人类。比利时牧师、物理学家乔治·勒梅特首先提出宇宙起源的大爆炸理论。后来，有科学家提出，宇宙发生大爆炸之后，经历了极其剧烈的膨胀，这被称为宇宙暴涨理论。物理学家一直想要证实这个理论。而今，哈佛-史密松天体物理中心的科学家正通过南极的望远镜BICEP2逐步揭开谜团。

　　物理学家相信，在宇宙大爆炸后的10-36秒开始持续至10-33秒到10-32秒间(小数点分别有35个、32个和31个0)，宇宙经历了难以想象的急剧膨胀。根据这一假设，就在一眨眼的功夫，我们的宇宙膨胀了至少有1078倍。

　　但要找到支持这一理论的证据却异常艰难。研究人员必须从时空的结构中去寻找线索。根据爱因斯坦广义相对论理论，暴涨会在时空中留下震荡涟漪，他把这种涟漪称为“引力波”，当引力波穿行于宇宙时，它会对空间产生挤压和拉伸作用。

　　最初时的引力波能够告诉我们宇宙诞生时的信息，但持续膨胀的宇宙已将这些原初引力波大大拉伸了。到了今天，原初引力波所引起的扰动已显得微不足道。那科学家该如何找到它们呢？

　　想像在一个沙滩上，当潮水冲上沙滩时，波浪会卷起并扰动沙子。潮水退去后，沙子上会留下波的痕迹。宇宙中没有沙子，但宇宙中充满了一种辐射：宇宙微波背景辐射。宇宙微波背景辐射是在大爆炸时留下的，而且在如今的宇宙中无处不在。物理学家设想，背景辐射就像沙滩上的沙子，背景辐射中可能会带有引力波所留下的痕迹——如同沙子上留下的波浪痕迹。

　　为了寻找这个答案，位于美国马萨诸塞州的哈佛-史密松天体物理的一个团队建造了非常灵敏的辐射探测器，他们把探测器安装在位于南极的一台望远镜上，开始寻找宇宙微波背景辐射中留存的引力波涟漪。经过9年的寻找和数据分析，他们终于在宇宙微波背景辐射中发现了漩涡状图案，这是宇宙诞生之初的引力波所产生的信号。

　　自100年前广义相对论预言引力波以来，这是迄今最直接的引力波存在的证据。同时，这一发现也是暴涨理论迄今最有说服力的证据，也证明爱因斯坦的广义相对论与量子力学的概念之间存在不可分割的联系。

　　科学家们终于可以宣称，人类看到了宇宙诞生的那一刻。

　　 引力波寻找竞赛

　　约翰·科瓦克是哈佛-史密松天体物理中心的射电天文学家，在对外宣布他们的爆炸性发现的同时，科瓦克还接受了《自然》杂志的专访，在被问到他们在宇宙微波背景辐射(CMBR)数据中看到了什么时，科瓦克说：“我们看到的是原初引力波的直接图像，它让光线呈现出一种独特的偏振模式。CMBR是宇宙在大爆炸后的38万年时留下的痕迹，当时辐射首次得以自由穿过空间，而引力波则是在宇宙大爆炸之后一瞬间便出现，并被叠加在了CMBR的信号之中。”科瓦克宣称，他们意外发现了比“预想的强烈得多”的B模式偏振信号(编者注：只有在原初引力波作用到微波背景光子时，才会产生这种特殊的偏振模式，因此观测到B模式偏振即意味着引力波的存在)，随后经过3年多的分析，排除了其他可能的来源，确认它就是暴涨期间原初引力波穿越宇宙导致的。

　　为了这项研究，约翰·科瓦克先后前往南极23次。他也向自然杂志讲述了引力波发现的整个过程。去年秋天，哈佛-史密松天体物理中心的科学家首次将BICEP2望远镜的信号与BICEP1的信号进行比对的时候发现，两组不同技术的仪器检测到了相同的信号。去年12月初，研究小组在南极召开了会议，这一发现首次在组内进行展示，并计划发表论文。

　　事实上，哈佛-史密松天体物理中心并不是唯一一个在稻草堆里找绣花针的科研小组。就在BICEP2望远镜边上，同属美国的SPT望远镜也在做类似的研究工作，智利北部的POLARBEAR或ACT望远镜，以及欧洲宇航局搭载在人造卫星上的普朗克太空望远镜，这些年都在努力寻找引力波。

　　其中，于2009年发射的普朗克太空望远镜从去年起就有大量发现。比如去年3月，普朗克太空望远镜绘制出了最精确的宇宙微波辐射背景图，并提供了宇宙膨胀速率的最新值，并暗示了宇宙的真实年龄是138.2亿年，比原先计算的数值要老8000万年。这一发现也支持了宇宙暴涨理论。而引力波，也是普朗克太空望远镜一直在寻找的宝藏，科学界之前一直认为最有可能发现引力波的应该是在太空中的普朗克。但最后的幸运儿属于美国人。

　　在得到约翰·科瓦克团队找到引力波的消息后，其他科研小组表示，将会进一步验证这一结果。

　　 暴涨与宇宙的诞生

　　100年前，爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在，将其定义为一种以光速传播的时空波动。由于引力波与物质的相互作用非常微弱，因此很难被直接探测到。之前，两位美国科学家因研究双星运动间接证实了引力波的存在而获得了1993年诺贝尔物理学奖。

　　宇宙微波背景辐射(CMBR)，即“3K背景辐射”则是一种均匀散落在宇宙空间中的微弱电磁波，它如同埋藏在宇宙深处的“化石”，记录着早期宇宙的许多信息。大爆炸后宇宙的温度极高，随着宇宙膨胀逐渐冷却，直至约38万年后，宇宙逐渐明朗，不再是不透明的云雾，光子开始自由穿越整个空间。到了今天，这些早期的光子就演变成为了绝对温标约为2.725K的微波。在传统光学望远镜看来一片漆黑的星际空间，如果用灵敏的辐射望远镜去看，会发现微弱的背景辉光，且在各个方向上几乎一模一样，与任何恒星、星系毫无关系，这便是宇宙微波背景辐射，宇宙中“最老的光”。

　　由美国物理学家阿兰·古斯提出的宇宙暴涨理论认为，在宇宙大爆炸后有一段持续时间非常短的快速膨胀的过程，由原来一个非常小的区域极快地变成了我们现在能看到的整个天空的区域，这一过程称为暴涨期。

　　 暴涨解决了

　　 大爆炸理论的问题

　　暴涨理论能够解释宇宙大爆炸理论所不能解释的一些难题。例如，为什么我们看到的天空上各点的微波背景辐射温度如此相同，还都具有如此相似的物理性质(即“视界问题”)。

　　“在很长时间里，‘视界问题’折磨着标准大爆炸理论，因为空间的不同区域分离得太快，不足以建立起热平衡。暴涨减慢了最早期空间的分离速度， 使它们有足够的时间建立相同的温度，于是就解决了这个问题。”哥伦比亚物理学家B。格林在《隐藏的现实：平行宇宙是什么》里说，宇宙经历了一场短暂的、爆发性的快速膨胀，而且越来越快，这就叫作暴涨， “它对缓慢开端做了补偿，且迅速将天空的不同区域拖到了非常遥远的地方。我们看到的均匀性不再是谜题了，因为空间区域迅速远离之前就已经建立了共同的温度。大体上说，这就是暴涨理论的核心内容。”暴涨理论被认为是对大爆炸理论的修正。

　　在阿兰·古斯提出暴涨设想之后的30年里，暴涨已经成为宇宙学研究的主流。“不过从整个研究的宏观层面上看，确切地说，暴涨是一种宇宙学框架，而不是某种具体的理论。研究者已经阐明，实现暴涨的方法不只一种，产生负压的暴涨场的数目，每个场遵循的势能曲线之类的细节，都可以各不相同。幸好，各式各样的暴涨理论存在相通之处，所以我们下结论时不用谈及具体的理论版本。”格林说。

　　科学家们一直在试图寻找宇宙暴涨的直接证据，即挤压和拉伸空间的引力波。而哈佛-史密松天体物理中心的研究成果，首次发现了证明引力波 存在的直接证据。

　　 暴涨在宇宙最大和最小结构间建立联系

　　那么在停止暴涨后，宇宙又发生了什么？由于宇宙停止暴涨时，能量略微大于平均的区域产生的引力，所以引力从周围吸引了更多粒子，于是能量继续增大。“增大后的能量会产生更加强大的引力， 吸引越来越多的粒子，然后越变越大。这种物质和能量的结团类似于滚雪球，经过百亿年的演化以后，它们及时变成星系和恒星。”格林说。所以在科学家看来，暴涨理论在宇宙最大和最小的结构之间建立了非同寻常的联系。“星系、恒星、行星和生命本身之所以会存在，都是微观层面的量子不确定性经过暴涨放大后的结果。”格林在《隐藏的现实》里写道。

　　记者 石剑峰 (中新网江西新闻转载)