引力波：穿越宇宙诞生时的迷雾

　　美国科学家探测到宇宙微波背景辐射B模式偏振，找到宇宙暴涨证据

　　2014年3月17日，哈佛大学史密松天体物理中心的约翰·科瓦奇(John Kovac)博士宣布，他所领导的射电天文学团队发现了来自宇宙暴涨时期的引力波存在的证据。

　　科瓦奇的团队使用一台架设在南极的天文望远镜BICEP2观测宇宙微波背景辐射，对辐射中的光子偏振信号进行了分析，最终得到一张与以往都不同的辐射偏振图。图片上的偏振图像，就像是一个个逆时针或顺时针的涡旋。

　　这种特殊的偏振分布，被认为是宇宙最初形成时的原初引力波叠加在宇宙微波背景辐射上的印记。这也意味着，爱因斯坦所预言的引力波被直接探测到，也证实了宇宙在最初生成时经历过一次令人置信的暴涨。1979年提出“暴涨理论”的美国科学家阿伦·古斯(Alan Guth)有望因此获得诺贝尔奖。

　　最初的剧烈膨胀

　　在宇宙的极早期，在10-32秒内，宇宙大小增长了1043倍，使得一个仅有质子万亿亿分之一大小的种子在宇宙年龄为10-31秒前暴涨为葡萄柚般大小。这一刻，暴涨过程即完成

　　20世纪20年代末，美国天文学家哈勃通过天文观测发现了著名的宇宙学红移现象，也就是太空中星系的辐射向更长的波长方向偏移。而且，星系的红移与它离我们的距离成正比，也就说明，这些星系远离的速率与它们的距离成正比，整个宇宙正处于膨胀之中。

　　打个比方，将宇宙想象成一个因不断充气而膨胀的气球，气球表面散布着一些色斑，每一个色斑代表着一个星系。随着气球的膨胀，每一个斑点都会进一步彼此远离，而且距离越远的星系，移动得越快。

　　同样地，根据广义相对论，想象世界倒退，逆转宇宙这一膨胀过程，就会推断出，宇宙是来自于某一个起点，这个高度致密的点被称为奇点。而且科学家们根据对宇宙红移的测量，计算出了宇宙于何时开始膨胀。

　　如今我们知道了，这个数值大约是137亿年。而且我们还熟知了“宇宙大爆炸”理论，知道在137亿年前，宇宙经历了“大爆炸”，在极短的时间内从原子尺度“成长”到天文尺度。但是最初的最初，大爆炸是怎样开始的？

　　根据德国物理学家海森堡提出的量子不确定性原理，在真空中可以随机地产生少许能量，但是这能量在短时间内即会消失。产生的能量越大，则能量存在的时间越短，反之亦然。这个过程就是量子涨落。

　　20世纪70年代，几位宇宙学家提出一种观点，认为整个宇宙是量子涨落的产物，宇宙是从真空中冒出来的。

　　“凭空冒出来的宇宙”并不违反能量守恒定律。物理常识告诉我们，假设物体相对于另一个无限远的物体势能是0，那么当这个物体靠近后因为引力做功使得其势能为负值。因此，物质或能量的万有引力具有负的能量。涨落的能量产生的瞬间，它又产生了一个引力场，引力的负能量与物质(或能量本身)对应的正能量互相抵消，使整个系统看起来并没有多出能量。

　　宇宙学家们越来越倾向于认为，宇宙最初并不存在一个无限值的奇点，而是几个普朗克极限值在一起的状态，整个可见宇宙可能起源于这样一个“普朗克粒子”：粒子涨落存在的时间为10-43秒(普朗克时间)，初始密度为每立方厘米1094克，直径约为10-33厘米(普朗克长度)，大小约为质子的万亿亿分之一。

　　但根据量子涨落的规则，这样一个蕴含超高能量的粒子，刚一出现就会立即被它自身强大的引力场毁灭掉。为何宇宙得以幸存下来？麻省理工学院教授阿伦·古斯1979年提出的暴涨理论可以回答这一问题。

　　中山大学物理科学与工程技术学院副教授张宏浩介绍说，阿伦·古斯当初提出这个理论，是为了解决宇宙学理论中的视界问题、宇宙平坦性问题、磁单极问题等一系列问题。如今根据暴涨理论，我们可以还原宇宙创生时期发生了些什么。

　　自然界中存在四种作用力：万有引力、电磁力、将质子和中子结合在一起的强力、使中子衰变为质子的弱力。粒子与场相互作用的模型指出，在能量极高的条件下，自然界的四种作用力是结合在一起的一种“超力”。宇宙的种子“普朗克粒子”可能就处于这一种状态。

　　阿伦·古斯的暴涨理论指出，在普朗克长度这样一个极小的尺度下，引力会立即同其他力分离，独立起作用，其他的几种力也会随之迅速分化出来。这种自然力的分化，会把现有的一些能量转化为强大的外向推力。

　　外向的引力波迫使宇宙的种子在极短时间内急速膨胀，这种推力压过了引力场使处于量子态的宇宙种子坍缩湮灭的倾向，使得宇宙真正地存在下来。这个过程就是暴涨。

　　这种暴涨是指数性的，与今天宇宙线性的膨胀方式不一样。指数膨胀是说，如果两个粒子之间的距离在1秒内增长了1倍，那么下一秒它们的距离就会增长到4倍，第三秒会增长到8倍，以此类推。

　　在宇宙的极早期，在10-32秒内，宇宙大小增长了1043倍，使得一个仅有质子万亿亿分之一大小的种子在宇宙年龄为10-31秒前暴涨为葡萄柚般大小。在这一刻，暴涨过程即完成。

　　在暴涨这极短的时间段内，放射的引力波以光速在宇宙内扩散。

　　宇宙诞生的记录

　　暴涨理论指出，宇宙创生时期的原初引力波可以提供了解宇宙38万年之前图景的途径。根据引力波在空间传播中留下的印记，人类可以“看到”宇宙的创生时期

　　张宏浩介绍，在暴涨时期过后，宇宙继续膨胀，但膨胀速度慢了很多。宇宙温度非常高，物质和光子彼此间频繁发生相互作用，处于热平衡之中。

　　在高致密、高能量的状态下，宇宙有1万亿度，密度为水密度的百万亿倍，在这样一个火球中，“质子—反质子”等“粒子—反粒子”会持续不断地从纯能量中产生出来，同时也不断相互湮灭，释放出电磁能，也就是光子。

　　起初，这些正反粒子数目大致相同，但随着宇宙的膨胀和降温，光子开始无法生成“粒子—反粒子”对，这些粒子的数量不再发生变化。

　　由于高能状态下的量子涨落被宇宙的暴涨瞬间极度放大，在原始宇宙中，粒子与反粒子在数量上并不完全相等，可能每10亿个反粒子对应10亿零1个粒子，多出来的一个粒子就没有被湮灭。就是这些微小的一部分剩余下来，演变成了我们而今的宇宙。

　　光子虽然无法再生成新的质子和中子，但仍然能与剩下的粒子发生强烈的相互作用，促使中子衰变为质子，并生成电子和反中微子。随着中子衰变为质子，“宇宙原始汤”里的中子比例下降了，在宇宙创生的第三分钟，每86个质子对应着14个中子，宇宙的温度也下降到了10亿摄氏度。

　　此时宇宙的温度已经低到一些质子与中子可以相互结合，氢核聚变形成稳定的氦4原子核，也就是α粒子。宇宙年龄为4分钟时，所有剩下来的中子都以这种方式被锁住，形成了74%的质子和26%的α粒子的混合物。

　　此后的数十万年里，宇宙平静地膨胀着，宇宙温度仍然太高，电子无法与原子核结合形成原子，电子就在原子核之间游荡，形成等离子体。这些带电粒子与充斥着整个宇宙的光子也就是电磁辐射相互作用。宇宙仍是混沌一团，光也无法逃出。

　　张宏浩介绍，宇宙形成后的第38万年左右，温度已经降低到6000摄氏度，与如今太阳表面温度接近。这样的温度条件下，电子终于能够与原子核结合形成原子，宇宙突然变得透明起来，光子开始能够在宇宙间自由穿行。原子则不受电磁辐射的干扰，聚集起来形成气体云团，并在自身引力的作用下开始坍缩，形成第一批恒星和星系。

　　辐射与物质的分离，标志着宇宙大爆炸到此结束。但宇宙的膨胀仍然继续至今。

　　光记录下了宇宙创生时期所有的事件。从大爆炸中逃脱出来的电磁辐射在宇宙中扩散，进入探测器的“眼睛”，就像是宇宙38万岁时的照片，被称为“宇宙微波背景辐射”。大爆炸时的电磁辐射到现在已经只残留着3K(开氏温度，相当于零下270摄氏度)左右的热辐射。

　　宇宙微波背景辐射在20世纪60年代被探测到，人类得以一瞥宇宙婴儿时期的容颜。美国新泽西州贝尔实验室的阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·伍德罗·威尔逊因此获得了诺贝尔奖。

　　当时，他们从各个方向上探测到的宇宙微波背景几乎是完全均匀的。这种被称为“各向同性”的均匀性质说明，在不同方向上距离非常远的区域之间曾紧密联系过。暴涨理论对此的解释非常合理：暴涨使得宇宙各处均匀平坦，就像气球被吹胀，抹平了各处的差异。

　　38万年之前宇宙的秘密被冻结在宇宙微波背景辐射里面。暴涨理论指出，宇宙创生时期的原初引力波，可以给人们提供了解宇宙38万年之前图景的途径。宇宙对于引力波而言是透明的，不像光波那样会被38万岁之前的宇宙囚禁。根据引力波在空间传播中留下的印记，人类可以“看到”宇宙的创生时期。

　　20世纪90年代，“宇宙背景探测器”等探测器先后发现来自太空不同方向的微波背景辐射在温度上有微小差异。这些差异就像是岩层里的化石一样，记录着辐射与物质最后一次发生相互作用时的痕迹。

　　“当前的实验观测足以让我们对这种微小差异进行异常精细的测量，并解读其中蕴含的信息。”张宏浩说。

捕捉引力波的痕迹

　　原初引力波作用到微波背景光子，会产生“B模式”的特殊偏振，就像铁屑在磁场中的分布，呈现出逆时针或者顺时针的涡旋形。观测到“B模式”偏振即意味着引力波的存在

　　1916年，由爱因斯坦创立的广义相对论预言了引力波的存在。广义相对论是有关时间和空间的理论，根据广义相对论，空间中的大质量物体(如黑洞)会使时空扭曲。

　　由于质量和密度对应着引力，这也可以描述成，黑洞等大质量天体巨大的引力场作用于其他物质，使得物质的运动轨迹产生弯曲，这种引力如此之大，以至于有时光都无法逃脱。

　　引力波就是时空扰动向外传递的微小涟漪。引力波也像电磁辐射一样在空间内以光速传播，但不像电磁波那样会受到天体影响。

　　当一束引力波通过，物体会被拉伸、压缩、扭曲。但是，引力实在是太弱了。它是四种作用力中最微弱的力，至今都难以被统一到大一统理论中。爱因斯坦预言了引力波的存在，但他同时认为引力波非常微弱，可能永远无法被人类探测到。

　　1974年，两位天文学家拉赛尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒通过对脉冲双星的观察间接验证了引力波的存在。

　　但科学家并不满足于间接证据。宇宙创生时期的原初引力波如此之大，使得他们相信，更灵敏的引力波探测器总有一天能够直接探测到引力波的存在。他们依然把目光投向了宇宙微波背景辐射。

　　原初引力波在宇宙微波背景辐射中也留下了痕迹。科学家们预言，宇宙微波背景辐射中的波纹，也就是光子的偏振，有两种模式，分别被称为“E模式”与“B模式”。其中，“E模式”是物质密度的涨落在宇宙微波背景辐射中留下的痕迹，呈现出闭合的圆圈型和向外散射的形状。

　　而原初引力波作用到微波背景光子，则会产生“B模式”的特殊偏振，这是原初引力波的“独特印记”。“B模式”偏振像铁屑在磁场中的分布，呈现出逆时针或者顺时针的涡旋形。观测到“B模式”偏振即意味着引力波的存在。

　　由于引力波非常微弱，“B模式”偏振一直难觅其踪。去年7月，位于南极的南极望远镜(SPT)观测到了宇宙微波背景辐射的“B模式”偏振，但发现这种“B模式”偏振是由另一原因导致。

　　2009年，触角敏锐的“普朗克”太空望远镜发射升空。它一直在精细勘测宇宙微波背景。去年3月，“普朗克”团队发布了迄今精度最高的宇宙微波背景全天分布图，有科学家基于这一分布图计算过辐射偏振情况。“普朗克”团队计划今年发布第一批详尽的全天偏振数据。

　　他们是最有希望第一个发布探测到“B模式”偏振结果的，但在这场竞赛中，他们被抢先了。2014年3月17日，约翰·科瓦奇的射电天文学团队宣布，他们使用架设在南极的BICEP2天文望远镜，在浩淼的宇宙微波背景中探测到了“B模式”的偏振分布。

　　南方日报记者 李秀婷 实习生 赵德柱 策划统筹：江华