科学家首发现宇宙暴涨直接证据 被称诺奖级成果

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原标题：科学家首次发现宇宙暴涨直接证据 被称诺奖级成果

仰望浩渺的星空，人们总是不由要问：宇宙从何而来？美国科学家17日宣布，他们发现了原初引力波穿越婴儿宇宙留下的印记，这是宇宙刚刚诞生时急剧膨胀的首个直接证据。

美国航空航天局(NASA)称，这是迄今为止，证明宇宙膨胀理论最有力的证据。这一突破性的重大发现有望帮助弄清宇宙诞生之谜，被认为是诺贝尔奖级别的重大成果。

测到比“预想强烈得多”的信号

科学界目前普遍认为，宇宙诞生于距今约140亿年前的一次“大爆炸”。在大爆炸之后不到1秒钟的原初时刻，宇宙曾在极短时间内经历了速度快到无法想象的急剧膨胀，这一过程称为“暴涨”。

为验证暴涨理论，美国哈佛-史密森天体物理学中心等机构研究人员利用位于南极的BICEP2望远镜，对宇宙大爆炸的“余烬”——微波背景辐射进行观测。宇宙微波背景辐射(CMB)是宇宙在大爆炸之后38万年时散落在宇宙空间中的微弱电磁波，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CMB的信号之中。微波背景辐射如同埋藏在宇宙深处的“化石”，记录着早期宇宙的许多信息，最早在1964年由两位美国科学家通过一台射电望远镜发现，自那之后便被称作是“大爆炸的回声”。

微波背景辐射中的微波因为被原子和电子散射而具有偏振性，新研究寻找的是一种叫做B模式的特殊偏振模式，其特点是会形成旋涡，是宇宙极早期的一种时空波动——原初引力波留下的独特印记，其他形式的扰动，都产生不了这种B模式偏振。

南极是地球上观测微波背景辐射的最佳地点之一。研究人员说，他们意外发现了比“预想的强烈得多”的B模式偏振信号。研究共同作者、明尼苏达大学的克莱姆·普赖克说：“这就好像要在草堆里找一根针，结果我们找到了一根铁撬棍。”

随后经过三年多分析，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。这意味着宇宙暴涨理论获得迄今最有力的证据，并将帮助人们更详细地了解暴涨的过程。

填补广义相对论最后一块拼图

爱因斯坦于1916年提出的广义相对论预言了原初引力波的存在。虽然过去十多年中，有多个研究项目在探测原初引力波，包括普朗克卫星、POLARBEAR地面实验，及位于南极的另一个“南极望远镜”实验等，其中普朗克卫星是欧洲航天局于2009年5月发射、造价约7亿欧元的全天域微波背景辐射观测望远镜，但科学界此前一直没有找到这种波存在的证据。新发现不仅填补了广义相对论实验验证中最后一块缺失的拼图，让现代物理学的根基更加坚实，也会鼓舞引力波研究人员的士气，促进有关国家进一步加大投入。

哈佛-史密森天体物理学中心的理论物理学家阿维·洛布说：“这项工作为一些最基本的问题提供了新见解：我们为什么会存在？宇宙是怎么诞生的？这些结果不仅是宇宙暴涨的确凿证据，它们也告诉我们暴涨是什么时候发生的，暴涨的威力又有多大。”

一些物理学家认为，这是一项诺贝尔奖级别的发现。美国亚利桑那州立大学理论物理学家劳伦斯·克劳斯在接受新华社记者采访时说，虽然这项成果还需要得到进一步验证，但“无论怎样，都令人激动”。如被证实，将“可以跻身过去25年最重要的宇宙学发现之列”，有望获得诺贝尔奖。

NASA表示，这一发现不仅有助于证实宇宙瞬间膨胀，还能够为理论学家提供关于分离时间和空间的力量的首个证据。

观察

原初引力波发现的四大意义

首先，这一发现填补了广义相对论实验验证的最后一块缺失的拼图。

爱因斯坦1916年发表的广义相对论预言了宇宙诞生之初产生的一种时空波动——原初引力波——的存在。过去近百年中，广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星的近日点进动以及引力红移效应都已获证实，唯有原初引力波因信号极其微弱，技术上很难测量，而一直徘徊在天文学家“视线”之外。剑桥大学博士、加拿大不列颠哥伦比亚大学的“CITA国家研究员”马寅哲认为，原初引力波的发现是支持广义相对论的又一有力证据，相对论所预言的所有实验现象全部被验证，实验与理论符合得都很好。

其次，这一发现打开了观测宇宙的一扇新窗户。

在天文学几百年来的发展过程中，人们观测宇宙的主要手段是观测光，也就是说几乎所有天文实验都是在收集光子。而根据标准宇宙大爆炸理论，大爆炸之后约40万年，光子、电子及其他粒子混在一起，宇宙处于晦暗的迷雾状态，光无法穿透。而引力波则不同，它诞生在宇宙大爆炸之初并以光速传播。从事引力波研究多年的美国亚利桑那州立大学理论物理学家劳伦斯·克劳斯认为，引力波被测量到，意味着人们可以通过引力波而一直追溯到大爆炸之后仅仅10的负35方秒的极早时期，同时引力波也可以作为另一种观测宇宙的手段。引力波天文学这门新学科的大门也由此打开。

第三，这一发现有助于真正理解宇宙大爆炸原初时刻的物理过程。

根据上世纪80年代逐渐发展起来的暴涨理论，140亿年前，在大爆炸之后不到10的负35方秒的时间里，宇宙以指数速度急剧膨胀，即所谓“暴涨过程”。原初引力波忠实记录了暴涨时期的物理过程。马寅哲告诉记者，现在关于大爆炸原初时刻的理论模型有数百个，但“到底哪个对，还是都不对，在今天之前是不清楚的。但如果(美国科学家的)结果是真的，那么很多理论模型会被排除”。

第四，这一发现意味着对宇宙微波背景辐射的测量将会进入下一个重要里程碑。

宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸的“余烬”，是一种弥漫在整个宇宙空间中的微弱电磁波信号。过去几十年中，人们测量微波背景辐射，其实主要测量的是温度场的信息，却一直没有测量到引力波的独特印记——B模式偏振。目前，全球多个小组在探测引力波，新发现无疑将极大鼓舞他们的士气，并促进有关国家进一步加大科研经费和人力资源投入。

马寅哲表示：“此项工作若获证实，当之无愧是诺贝尔奖级的工作。而且在此之后，关于引力波的诺贝尔奖可能还会再出现。宇宙‘暴涨’理论的提出者也可能获奖。”