發(fā)現(xiàn)宇宙誕生的瞬間

宇宙學(xué)家在長(zhǎng)期探索宇宙創(chuàng)生時(shí)的情景，而今他們已從探索走向探測(cè)，這是一個(gè)大的躍進(jìn)。

自20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射（CMB）后，理論家就預(yù)言，它是宇宙歷史資料的寶庫(kù)。如今，人們就在向CMB找真相。最有意思的是，除了探險(xiǎn)家以外一直受到冷落的南極洲，現(xiàn)在變得熱鬧起來。

6年前，美國(guó)人在南極洲建立了世界上最大的望遠(yuǎn)鏡之一———南極望遠(yuǎn)鏡（SPT），其天線盤直徑長(zhǎng)達(dá)10米。著名科學(xué)家拜生等人，目前在SPT小組工作。他們從南極站到SPT處，不過幾百米之遙，乘坐履帶車卻走得相當(dāng)艱難———-40℃的寒風(fēng)都算是和風(fēng)拂面了。摘下手套去拿圖紙的片刻，手指就凍僵了。頭上戴著遮面的厚帽，胡須上卻結(jié)著呼出氣體所結(jié)成的冰珠。在如此不適于生活的地方，他們卻洋溢著工作的熱情，只因他們要在宇宙學(xué)中找到一個(gè)突破性的發(fā)現(xiàn)———宇宙誕生的一個(gè)瞬間。

新生宇宙近于無限的密實(shí)、極高的溫度。隨著宇宙的膨脹而冷卻，輻射的能量也就此稀薄，其波長(zhǎng)變長(zhǎng)，在140億年后，整個(gè)空間充滿了微波輻射，天文界稱之為CMB。這是解讀嬰兒宇宙及其后來演化的最佳宇宙學(xué)資料庫(kù)。例如，在CMB上的微小溫度變化，揭示出宇宙中分布著疏密不同的物質(zhì)塊，這些物質(zhì)塊以后會(huì)生成我們今日所見的星系團(tuán)和空穴。

SPT專做CMB的詳細(xì)觀測(cè)和研究，但無論你看多么細(xì)致，你只能看到一幅宇宙的嬰兒圖像（大爆炸后38萬年的時(shí)刻）。我們無法再往前觀察，因?yàn)樵缙谟钪娉錆M了沸騰的等離子體，它不停地吸收和放射光子———這意味著光子無法逃出這個(gè)空間，即宇宙是不透明的，只有溫度下降得足夠低，使得這些粒子組合成中性原子時(shí)，輻射和光才能自由地穿過宇宙空間。因此，我們從宇宙變得透明的時(shí)刻只能取得一幅嬰兒宇宙的相片，而無法獲得其誕生時(shí)的瞬間圖像。

在宇宙創(chuàng)生后的更早時(shí)刻，理論告訴我們發(fā)生了宇宙暴脹，空間呈現(xiàn)指數(shù)性的快速膨脹，它始于宇宙最初的10-36秒，為一種神秘的帶有負(fù)壓的真空能所推動(dòng)。在這短暫的時(shí)刻，可觀察宇宙從比原子小的尺寸擴(kuò)大到一顆葡萄那么大。幸運(yùn)的是，暴脹至此結(jié)束（此時(shí)為10-33秒），宇宙進(jìn)入了平穩(wěn)的膨脹狀態(tài)，星系、恒星、行星得以生成。

暴脹是一個(gè)眾所周知的理論，為量子原理所支持，并在一定程度上獲得觀測(cè)的驗(yàn)證。它解釋了宇宙學(xué)中不少的難題。例如，它解釋了早期宇宙學(xué)中的密度變化，那是一種微小的量子起伏，是暴脹放大的結(jié)果，甚至有可能和神秘的暗能量有關(guān)，正是它加速了今日宇宙的膨脹。

暴脹理論雖然相當(dāng)成功，但還是受困于一些問題。首先，暴脹論有較多的版本，天文學(xué)家不能全部接受。究竟孰是孰非卻又很斷定，因?yàn)槲覀儫o法觀察到暴脹期的真相。

而今峰回路轉(zhuǎn)。在過去的10年中，宇宙學(xué)家認(rèn)識(shí)到，暴脹的突然停止必將在時(shí)空中產(chǎn)生振動(dòng)，形成時(shí)空的波紋，這便是引力波，是愛因斯坦廣義相對(duì)論所預(yù)言的。這些原始引力波可通過灼熱的早期宇宙，故它們的頻率和能量將顯示出暴脹停止時(shí)的宇宙狀態(tài)。因此，只要我們能找到原始引力波，我們就可以得悉宇宙最初（10-33秒）瞬間的情景。

理論家認(rèn)為，引力波可能是穩(wěn)定的或偶發(fā)的，視不同性質(zhì)的波源而定，其頻率覆蓋度甚大，從10-17赫茲～1022赫茲，相差39個(gè)數(shù)量級(jí)，而其最大的波長(zhǎng)長(zhǎng)度，相當(dāng)于宇宙的跨度。研究者相信，它們必然會(huì)在CMB上留下印跡。若我們找到這些痕跡，就可以識(shí)別出不同版本的暴脹模型，從而了解暴脹的真相。

拜生小組為他們的新型設(shè)備倍感興奮，因?yàn)樵撏h(yuǎn)鏡配上了極化計(jì)，可以用來測(cè)CMB的極化現(xiàn)象。這個(gè)極化現(xiàn)象，是CMB在旅途中被電子散射而引起的。引力波可以悄悄地改變極化的樣式，在其波紋通過時(shí)空時(shí)明顯地移動(dòng)電子，從而在CMB上留下印跡。

來自s101tIQLHJ5pfDuFL0Ua+g==原始引力波的極化信號(hào)極微弱，頻率很低，皆被強(qiáng)得多的信號(hào)———早期宇宙中的密度起伏———所覆蓋。拜生說，沒有人知道測(cè)量引力波極化現(xiàn)象有多困難。

為何測(cè)量CMB極化的設(shè)備要設(shè)在如此遙遠(yuǎn)、不適合人居住的地方？那是因?yàn)橛^測(cè)CMB輻射需要一個(gè)高而廣的區(qū)域。大氣中的水蒸氣吸收微波，故在海面上不能觀測(cè)CMB，因?yàn)橥h(yuǎn)鏡上方布滿著含水分的大氣，即使在高山頂上也需要真正干燥的空氣。而南極處在（海平面上）2830米的高度，且大氣極干燥。

微波背景各向異性陣列（AMIBA），設(shè)在夏威夷高地3400米高的斜坡上。對(duì)望遠(yuǎn)鏡來說，條件最為優(yōu)越的要數(shù)智利阿塔卡馬沙漠了。自2012年以來，那里一直進(jìn)行的北極熊實(shí)驗(yàn)，就是為了測(cè)量CMB極化。這些設(shè)備皆設(shè)在Cerro Toco頂上，高達(dá)5200米。2013年晚些時(shí)候，近旁的阿塔卡馬宇宙學(xué)望遠(yuǎn)鏡極化計(jì)攝像機(jī)也將參與這一實(shí)驗(yàn)。這將提供前所未有的、最靈敏的CMB極化測(cè)量。

有兩個(gè)小組間的競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，但很友好，他們不會(huì)停留在現(xiàn)今這一極化計(jì)上。SPT極化計(jì)小組已經(jīng)在研制新的、更高級(jí)的儀器，其靈敏度比先前的高10倍。而阿塔卡馬小組則正在設(shè)計(jì)先進(jìn)的阿塔卡馬極化計(jì)。在獲取暴脹的印跡———難以琢磨的極化圖形———方面，靈敏度、角分辨率、頻率覆蓋面和天空覆蓋面皆起著相當(dāng)重要的作用。柏林斯頓大學(xué)的D.斯伯格說：“我們迄今不知道這個(gè)信號(hào)的強(qiáng)度，這是一門探索性的科學(xué)?！?/p>

科學(xué)界花了那么大的努力，都是為了獲取同一獵物。例如，普朗克望遠(yuǎn)鏡自2009年發(fā)射以來一直在繪制詳細(xì)的CMB圖。2013年3月，該研究組公布了迄今以來最佳的CMB圖，它覆蓋了整個(gè)天空。他們還在分析來自該望遠(yuǎn)鏡極化計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)。歐洲空間研究和技術(shù)中心的負(fù)責(zé)人說：“我們打算公布極化計(jì)一年來測(cè)得的首批數(shù)據(jù)?！?/p>

但是，普朗克望遠(yuǎn)鏡的靈敏度不如某些基地探測(cè)設(shè)備，不能測(cè)到最小范圍（極化）的現(xiàn)象。這便給其他的CMB極化測(cè)量研究組帶來奪冠的可能。

還有一些研究者的實(shí)驗(yàn)在較高的位置進(jìn)行。有些研究者把儀器設(shè)備置于氣球之下，飛行在南極洲、澳大利亞和新墨西哥的高空中。BICEP2的探測(cè)設(shè)備位于南極的一臺(tái)小望遠(yuǎn)鏡上，EBEX的探測(cè)器則于2013年1月在南極洲完成了25天的氣球飛行。

還有許多實(shí)驗(yàn)已在計(jì)劃之中。斯伯格說：“我敢肯定，在今后的幾年中，這方面必有較大的發(fā)展?！彼嘈?，通過測(cè)到CMB極化而確證暴脹將獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

也有人說，測(cè)量結(jié)果早已收集到手。BICEP小組成員J.博克說：“我們計(jì)劃公布2013年的初步結(jié)果。我們目前正在分析3年來更有分量的數(shù)據(jù)。分析涉及校正、確切地了解儀器對(duì)信號(hào)和噪聲的區(qū)分，以及調(diào)查系統(tǒng)的誤差。而這是不容易的?！?/p>

博克聲稱，BICEP2的靈敏度已達(dá)到令人滿意的水平，但他沒有提到該小組是否已找到了暴脹的印跡。EBEX小組的領(lǐng)頭人S.海納尼說：“我們也不知道誰將首先測(cè)得這個(gè)信號(hào)，但這一探測(cè)結(jié)果必將在最近兩年取得?！?/p>

看到像拜生那樣的科學(xué)家，離開舒適的家，去往這個(gè)世界的極地，過著嚴(yán)峻的生活。這一切使我們認(rèn)識(shí)到，他們是如何認(rèn)真地追尋大自然的真理———暴脹的堅(jiān)實(shí)證據(jù)。要知道，這一艱辛努力并沒有必然成功的保障。如果原始引力波較微弱，那么揭露真相的極化現(xiàn)象有可能永遠(yuǎn)發(fā)現(xiàn)不了。但科學(xué)界并不因此而對(duì)前景感到沮喪，他們總會(huì)有辦法

獲得成功的！