獲取宇宙最初一刻的吉光片羽

上海師范大學(xué)天體物理中心 李新洲

解構(gòu)大爆炸

在137億年前大爆炸發(fā)生的那個時刻，我們所居住的宇宙被壓縮到一個難以想象的小尺度上，相伴隨的是極高的溫度和極大的密度。當(dāng)宇宙年齡在38萬年時，宇宙膨脹得足以讓輻射冷卻下來，不再與帶電粒子相互作用，空間變得透明了，輻射將自由地穿過空間飛向我們。這些微波背景輻射表明，那時的宇宙同樣是以百萬分之一的精度呈現(xiàn)出各向同性的。只是后來，當(dāng)宇宙的年齡為數(shù)十億年時，物質(zhì)居然不均勻地聚集起來，形成了星系和星系團。因此，宇宙學(xué)家采用了簡單假設(shè)：宇宙是均勻與各向同性的，而在總體的均勻與各向同性中含有微小的隨機不規(guī)則性。盡管非均勻性很小，卻至關(guān)重要。由于宇宙學(xué)形式的馬太效應(yīng)，那些含物質(zhì)高于均值的稠密區(qū)域通過吸收稀疏區(qū)域的物質(zhì)，隨著時間推移，高于均值區(qū)域演化成星系團、星系、恒星和人。

標(biāo)準(zhǔn)大爆炸理論只是說在宇宙之初有一場爆炸，而沒有告訴我們到底是什么爆炸，如何爆炸，更沒有說為何爆炸。日常知識告訴我們，引力是一種吸引力，它使萬物彼此靠近，怎能引發(fā)爆炸呢？所以，原初時刻一定存在著某種強大的排斥力。這個困擾人們的問題，直到1980年代初得到了解答。答案居然十分簡單，愛因斯坦關(guān)于宇宙學(xué)常數(shù)的老想法以暴漲宇宙的新形式得以復(fù)興。

暴漲宇宙學(xué)不僅彌補了標(biāo)準(zhǔn)大爆炸宇宙學(xué)中的許多漏洞，諸如解決了視界疑難、平坦性疑難與拓?fù)淙毕葸^豐等問題，并且給出了一系列預(yù)言。隨著BICEP2團隊的工作以及先前的種種實驗驗證，所有這些預(yù)言都得到了確認(rèn)。除此之外，暴漲宇宙學(xué)還幫助我們理解了早期宇宙是如何獲得了它那極低的熵，這使得我們比以往任何時刻都更接近時間之箭的解釋。暴漲宇宙學(xué)還在量子力學(xué)與廣義相對論之間建立了橋梁。

取得直接證據(jù)

量子力學(xué)的海森伯原理告訴我們，在任何量子系統(tǒng)中總存在著一個隨機漲落。在暴漲宇宙學(xué)的框架中，這意味著量子場將展現(xiàn)出這種漲落。這就是衛(wèi)星所觀測到的輻射溫度的隨機分布數(shù)據(jù)的本源。由于諸如光子那樣的矢量場所具有的對稱性，它們產(chǎn)生的漲落并未對微波背景溫度提供實質(zhì)性的貢獻。所以真正要關(guān)注的兩類量子漲落是暴漲子場和引力場的漲落。暴漲子場是駕馭宇宙暴漲的場，它為最終轉(zhuǎn)換成物質(zhì)和輻射作了主要貢獻。換句話說，暴漲子場漲落對早期等離子密度漲落作了主要貢獻。由于暴漲子場是標(biāo)量場，它所產(chǎn)生的漲落，有時也稱作為標(biāo)量漲落。這在衛(wèi)星探測器實驗中已經(jīng)被證實。

引力場當(dāng)然也有量子漲落，這些漲落產(chǎn)生了引力波。引力場是一種張量場，所以引力場的漲落有時也稱作張量漲落。在原則上，我們能探測引力波，這是因為在物體較遠(yuǎn)處引力波會拉伸物體，當(dāng)引力波通過物體時會擠壓它。這好比在海灘上，潮水沖上沙灘時海波會卷起沙子，而當(dāng)海潮退下后沙灘會留下波浪的痕跡。宇宙空間中當(dāng)然沒有沙子，只有微波背景輻射。無處不在的輻射是否會留下引力波的痕跡呢?答案很簡單，引力波會給背景輻射留下痕跡！

為了闡明這個痕跡，我們不得不說一下極化這個概念。任何類型的電磁輻射都有極化，微波背景輻射也不例外。電磁波是傳播電場和磁場振蕩的漣漪，可以指定電場上下振蕩方向來定義極化方向。當(dāng)我們觀測多個光子形成的輻射時，每個光子的極化方向是隨機的，給出的疊加凈效應(yīng)幾乎接近于零。在我們使用白熾燈時，就是這種情形，宇宙背景輻射也幾乎是這樣。不過，科學(xué)家們通過仔細(xì)分析能測量出微波背景輻射中的極化殘余。

但是，暴漲子場漲落與引力子場漲落都能造成背景輻射的極化。這正是成也蕭何，敗也蕭何！成敗皆極化，不過此極化不是彼極化。通過仔細(xì)分析，極化存在著兩種形態(tài)：E模極化和B模極化。暴漲子漲落只造成背景輻射的E模極化，而引力波既會造成E模極化也會造成B模極化。

用通俗的話來說，B模會產(chǎn)生一個渦旋狀的極化形態(tài)而E模不會。利用這個性質(zhì)，BICEP2團隊觀測到了B模極化形態(tài)，并指出這是大爆炸后原初引力波的獨特印記。他們還定量地指出張量與標(biāo)量貢獻之比為0.2。

給我們的啟迪

大爆炸引力波為人類帶來新認(rèn)知，BICEP2團隊公布這個偉大發(fā)現(xiàn)已經(jīng)一個多星期了，但是余音繞梁，人們激動之情仍未平復(fù)，這個發(fā)現(xiàn)給我們帶來了眾多的啟迪。

盡管實驗物理學(xué)家確證了原初引力波的存在，但是理論家居功至偉。最高的榮譽仍歸于愛因斯坦，他的廣義相對論是進行這些研究的基本工具，告訴我們在引力的影響下，宇宙將如何隨時間演化。愛因斯坦建議的宇宙學(xué)常數(shù)，給出了排斥性引力的最簡示例。更為重要的是，愛因斯坦預(yù)言了引力波存在，找尋引力波成了一代又一代科學(xué)家追尋的目標(biāo)。古斯是暴漲思想的始作俑者，隨后林德和史坦哈德特為完備暴漲宇宙理論也做出了重要貢獻。

科學(xué)進步的總趨勢是不可抗拒的，正如一江春水總是向東流，而水面上樹葉的運動路徑卻百轉(zhuǎn)千回。BICEP2團隊的發(fā)現(xiàn)給我們的另一個啟迪是，不同知識島之間的“滲流”是十分重要的。粒子物理和廣義相對論的觀念系統(tǒng)相差甚遠(yuǎn)，但是一旦將粒子物理中的希格斯場的觀念融入到宇宙學(xué)中，就會產(chǎn)生重大的創(chuàng)新。這使我們相信萬物在更深層次上的相關(guān)性。

將望遠(yuǎn)鏡指向月球就會發(fā)現(xiàn)月球表面坑凹的伽利略時代早就過去了。當(dāng)代科學(xué)的進步，必定需要理論的指引。沒有理論指引下的實驗驗證，猶如瞎子摸象。如果盲人摸到了象鼻子，倒還得到了大象的部分特征，可怕的是盲人騎瞎馬摸到的僅僅是大象背上的土。對理論物理學(xué)家的任何漠視，最終會釀成一壇發(fā)酸的苦酒。

科學(xué)的進步，創(chuàng)新思想是關(guān)鍵?？茖W(xué)的成功常常在于B模這樣的另辟蹊徑，別出心裁。低水平的重復(fù)與簡單的線性放大長期困擾著我國科學(xué)界。發(fā)現(xiàn)歐姆定律是偉大的，重復(fù)驗證歐姆定律是初中生的玩意兒。

為什么BICEP2團隊找到了原初引力波，而普朗克探測器沒有發(fā)現(xiàn)？后者的經(jīng)費投入遠(yuǎn)高于前者，這說明重大發(fā)現(xiàn)并不與科研投入成正比。諾貝爾獎并不能與培養(yǎng)體育明星那樣選苗，行政行為無法設(shè)定誰將取得劃時代的成果。科學(xué)家之所以投入研究，絕對不是為了取得金錢。重賞之下，并不出智夫。如果將科研人員的收入差異盲目擴大，必將破壞團隊的和諧，帶來嚴(yán)重的后果。

BICEP2團隊的論文由47位作者署名，而團隊的負(fù)責(zé)人科瓦奇位列27位，但是某報想當(dāng)然地依照我國的行政慣例稱科瓦奇為第一作者。我國科技團隊為了文章署名，常常鬧得不亦樂乎，甚至導(dǎo)致同事反目，團隊散伙。這種莫名其妙的行政規(guī)定給科研造成的損失還少嗎？

科學(xué)的進步，是從未知到達已知，未知之樹上仍然掛滿了金蘋果，只有對未知世界充滿好奇的人才會得到它。