BICEP2引發(fā)的論戰(zhàn)

□ 文 何銳思（Richard de Grijs）/ 翻譯 程思淼

BICEP2引發(fā)的論戰(zhàn)

□ 文 何銳思（Richard de Grijs）/ 翻譯 程思淼

在這幅由斯臺(tái)芬·里希特（Steffen Richter）提供的2007年的照片中，太陽在BICEP2望遠(yuǎn)鏡和南極望遠(yuǎn)鏡的后方落山。為了尋找大爆炸留下的微弱光線中存在的一種特殊的偏振模式，天文學(xué)家在三年之內(nèi)，通過位于南極的BICEP2考察了占全天總面積2%的天區(qū)。南極極為干燥的空氣對觀測微波輻射十分有利。[來源：AP Photo/Steffen Richiter]

何銳思（Richard de Grijs）北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所（KIAA）教授，國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)天文發(fā)展辦公室東亞分站負(fù)責(zé)人。

如果你關(guān)心天文時(shí)事的話，一定注意到了最近的一條大新聞：2014年3月17日，位于美國馬薩諸塞州的哈佛-史密松天體物理中心舉行新聞發(fā)布會(huì)，宣布發(fā)現(xiàn)了宇宙大爆炸確實(shí)發(fā)生過的證據(jù)（注意：以前我們一直說大爆炸是一種“假說”）。召開如此高調(diào)的新聞發(fā)布會(huì)，在天文學(xué)這樣的科學(xué)領(lǐng)域?qū)嵲谑乔八从?，聽眾們都期待?huì)有猛料爆出。

如此高調(diào)的聲明也要求同樣華麗而確鑿的證據(jù)支持。消息傳出后，有如此多的同行爭先恐后地或?qū)ふ矣^測數(shù)據(jù)，或分析解讀中的漏洞，這都在情理之中。一邊是興奮的記者和科學(xué)家敦促諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)趕快發(fā)獎(jiǎng)（由于沒有諾貝爾天文學(xué)獎(jiǎng)，天文成就計(jì)在物理獎(jiǎng)名下），另一邊，冷靜懷疑、也許還帶點(diǎn)嫉妒的同行們，也趕緊奮筆疾書，要在專業(yè)期刊、“預(yù)發(fā)表服務(wù)器”（近年來，為應(yīng)對信息時(shí)效性與論文正式發(fā)表流程過慢的矛盾，一些專業(yè)機(jī)構(gòu)提供論文正式發(fā)表前供人閱讀的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布平臺(tái)）乃至廣大的互聯(lián)網(wǎng)博客陣地上，對這種博人眼球的行為做出抗衡。

在我們進(jìn)入這場科學(xué)討論和由此引發(fā)的論戰(zhàn)之前，不妨先來看看那條“大新聞”到底說的是什么。

背景知識(shí)

阿蘭·古斯。[攝影：Rick Friedman]

將近140億年之前——確切地說，是137.7億年，上下不超過5900萬年——據(jù)認(rèn)為，我們所在的這個(gè)宇宙就是在那個(gè)時(shí)候，以一場不尋常的爆發(fā)“出場”的。在最初的一瞬間（約10-35秒到10-33秒），宇宙以指數(shù)形式極速膨脹，其膨脹幅度之大，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了我們現(xiàn)在最好的望遠(yuǎn)鏡的視界。

當(dāng)然，這一切都只是理論，直到2014年3月17日，BICEP2（Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization，宇宙泛星系偏振背景成像，縮寫為BICEP）合作項(xiàng)目的研究人員宣稱他們找到了證明這個(gè)“宇宙暴脹”的第一個(gè)直接證據(jù)。

“暴脹”一詞最早由美國麻省理工學(xué)院（MIT）科學(xué)家阿蘭·古斯（Alan Guth）在20世紀(jì)80年代提出（譯者注：70年代末蘇聯(lián)的阿列克謝·斯塔羅賓斯基曾提出名稱不同、本質(zhì)上相同的理論，但不為西方學(xué)界所知），以解釋標(biāo)準(zhǔn)大爆炸理論未能解決的一些問題，如：我們向天空的各個(gè)方向看，為何觀測到宇宙深處在大尺度上都是一樣的。暴脹理論認(rèn)為，相距超過視界半徑的兩個(gè)區(qū)域，在暴脹之前其實(shí)極為接近，因此具有非常相似的性質(zhì)。不過，暴脹理論還有一個(gè)十分特別的預(yù)言：暴脹將能夠激起引力波，而這一時(shí)空連續(xù)體上的漣漪，將給那些我們觀測到的最古老的光子——宇宙微波背景輻射（CMB）留下永久的印記。

回顧歷史

在所謂“復(fù)合時(shí)期”之前的早期宇宙中，光子陷在重子和電子的海洋當(dāng)中，不能自由穿行。當(dāng)早期宇宙隨著膨脹在大爆炸后約38萬年冷卻到約3000開爾文（K）時(shí)，質(zhì)子和電子“復(fù)合”成中性的氫原子；由于光子幾乎不與中性物質(zhì)（如中性氫原子和中子）作用，它們得以在空間中自由穿行、散逸，這一事件稱為電磁輻射與物質(zhì)退耦。宇宙因此變得“透明”了。而這散逸出的第一批光子，就成了我們今天觀測到的宇宙微波背景輻射。

早在70年代初，一些頭腦最為活躍的科學(xué)家就預(yù)言了宇宙微波背景輻射中“聲學(xué)振蕩”的存在。這種聲學(xué)振蕩是在大爆炸后那團(tuán)原始、熾熱、致密的等離子體中激起的類似聲波的振蕩（密度波）。在這團(tuán)等離子體中，電子和重子（“正常”物質(zhì)，如質(zhì)子和中子）密度分布存在著微小的漲落——在早期宇宙中，這些正常物質(zhì)的分布與暗物質(zhì)的密度漲落有著密切的關(guān)系。在物質(zhì)稍微稠密的地方，引力抵消了一部分由于光子與物質(zhì)作用而產(chǎn)生的“輻射壓”。相應(yīng)地，這種輻射壓在物質(zhì)當(dāng)中激起一種像聲波一樣傳播的密度波，也會(huì)作用于光子和重子。（而暗物質(zhì)由于不與光子作用，在單純引力的作用下，其運(yùn)動(dòng)將滯后于重子物質(zhì)。）

早期宇宙中出現(xiàn)的這種聲學(xué)振蕩決定了后來重子物質(zhì)空間分布的特征尺度：聲學(xué)振蕩產(chǎn)生的密度波傳播速度是有限的，它在復(fù)合時(shí)期之前能夠傳播的距離，就決定了重子物質(zhì)大尺度分布的典型尺度。這個(gè)尺度又稱為“聲學(xué)視界”。由于輻射壓在復(fù)合時(shí)期之后消失，此后引力成為施加于重子物質(zhì)的主要作用。在之后的宇宙中，引力進(jìn)一步凝聚了那些最初的和在聲學(xué)視界邊界上的密度擾動(dòng)，最終塑造了今天星系成團(tuán)的分布模式。

這幅精細(xì)的宇宙微波背景圖是基于威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）七年間獲得的數(shù)據(jù)繪制而成。顏色的變化對應(yīng)于早期宇宙溫度的變化，正是這個(gè)有微小漲落的早期宇宙孕育了我們今天看到的恒星和星系。藍(lán)色的點(diǎn)對應(yīng)于稍冷的區(qū)域（約2.7253開爾文，即-270.4247攝氏度），而紅色的點(diǎn)則稍熱（約2.7257開爾文，即-270.4243攝氏度）。[來源：NASA]

本圖底部顯示了宇宙尺度隨時(shí)間的變化。特殊事件，比如大爆炸39萬年后中性氫原子形成，也標(biāo)記在圖中。在此事件之前，物質(zhì)（電子）和光（光子）持續(xù)不斷的相互作用導(dǎo)致了宇宙對光（電磁波）并不透明。在此之后，我們現(xiàn)在稱為宇宙微波背景輻射（CMB）的那些光子才開始在空間中自由穿行。物質(zhì)分布的漲落（不同地方的微小差別）在背景輻射的光子上留下了印記。密度波在溫度和E模偏振中反映出來，引力波則在背景輻射的B模偏振中留下痕跡。在背景輻射發(fā)出時(shí)存在的密度波和引力波，都是來自經(jīng)過暴脹放大了的最初的量子漲落。

解讀新聞

今天的宇宙為何是這個(gè)樣子的？我們已經(jīng)了解了有關(guān)理論對此問題的認(rèn)識(shí)?，F(xiàn)在，讓我們回到那條驚世駭俗的聲明，看一看它究竟為何如此重要。

微弱的宇宙微波背景輻射在各個(gè)方向上幾乎完全相同，相當(dāng)于一個(gè)溫度2.72548K（即絕對零度之上2.72548度，也就是-270.42452攝氏度）的黑體發(fā)出的輻射。背景輻射在各個(gè)方向上為何如此相似？這是二十世紀(jì)宇宙學(xué)最大的謎題之一。另一個(gè)困擾天文學(xué)家的難題是，宇宙背景探測器（COBE）發(fā)現(xiàn)，背景輻射的溫度也存在極小的各向異性。暴脹理論為這兩個(gè)問題提供了簡潔的解答。

那么，暴脹對于早期宇宙意味著什么呢？一般說來，暴脹理論認(rèn)為，宇宙從最開始極小的10-35米（可能漲落的最小尺度，即“普朗克長度”）膨脹到遠(yuǎn)大于今天可見宇宙的范圍（＞＞1026米）。這意味著年輕宇宙中溫度相同的一塊極小的區(qū)域?qū)⑴蛎浀奖冉裉斓恼麄€(gè)可見宇宙還要大，這就解釋了今天觀測到的背景輻射為何在各處都有如此相似的溫度。另一方面，極小尺度的世界，即由量子機(jī)制統(tǒng)治的世界，隨著膨脹成為比較大的一塊空間——而量子理論告訴我們，在開始的極小尺度下，漲落無處不在。

背景輻射各向同性但又并不完美一致的問題，暴脹理論已經(jīng)給出了自然的回答。而暴脹理論還有一個(gè)判定性的預(yù)言：漲落不僅存在于我們在背景輻射中看到的正常物質(zhì)，也存在于背景的引力場中——而這個(gè)引力場在背景輻射中也留下了它自己的印記。這一印記在普通的背景輻射圖（強(qiáng)度或溫度分布）中是看不出來的，要測量它的偏振才能知道。任何電磁波都有其電磁振蕩的方向性——宇宙微波背景輻射也不例外——這就是所謂偏振性。在地球上，太陽光被大氣散射為天光時(shí)部分偏振化，因此我們戴偏振太陽鏡時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，一般景物只是減少了一半亮度，而天空則可以變得很黑。在太空中，宇宙微波背景輻射被原子和電子散射，同樣會(huì)偏振化。我們在這用了兩個(gè)看似矛盾的概念：當(dāng)我們討論宇宙膨脹中的光時(shí)，我們說它是“光子”，但到這里我們又說光是一種波。確實(shí)如此，光既可以表現(xiàn)粒子的性質(zhì)，又會(huì)表現(xiàn)波的性質(zhì)；1803年英國科學(xué)家托馬斯·楊成功進(jìn)行了證明光的波動(dòng)性的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，而1905年愛因斯坦對光電效應(yīng)的完美解釋則使人們認(rèn)識(shí)到，這種波是以“光子”的形式參與微觀過程的。

回到我們文章開頭提到的那份不同尋常的聲明，那就是基于設(shè)在南極的“宇宙泛星系偏振背景成像”望遠(yuǎn)鏡（BICEP）對宇宙微波背景輻射的偏振情況進(jìn)行的細(xì)致觀測給出的結(jié)果。BICEP望遠(yuǎn)鏡將背景輻射的偏振分為兩部分：B模偏振（類磁場）和E模偏振（類電場）。其中，E模的產(chǎn)生相對簡單，科學(xué)家也在2002年探測到了這種模式的偏振。要產(chǎn)生B模式的偏振則困難得多（其信號強(qiáng)度也微弱得多）。宇宙微波背景輻射中的B模偏振只可能由兩種機(jī)制產(chǎn)生：前景星系的引力透鏡效應(yīng)（參見本刊2012年4月天文視點(diǎn)的文章），或者早期宇宙暴脹時(shí)在時(shí)空上留下的漣漪——引力波。由引力透鏡引起的B模偏振已在去年探測到。而這次輪到引力波登場——發(fā)布會(huì)的全部內(nèi)容就是如此——這些科學(xué)家宣布，他們發(fā)現(xiàn)了由引力波引起的B模偏振。

位于阿蒙森-斯科特南極站（南極點(diǎn)）暗區(qū)實(shí)驗(yàn)室（Dark Sector Lab）的南極望遠(yuǎn)鏡（左）和BICEP望遠(yuǎn)鏡（右）。[來源：Dana Hrubes]

來自暴脹的引力波使宇宙微波背景輻射的偏振呈現(xiàn)出明顯的螺旋模式，即所謂B模式。紅色或藍(lán)色的陰影顯示了其螺旋的程度。[來源：EPA/Harvard University]

人們形容引力波是“大爆炸的第一波震顫”。“對這個(gè)信號的探測是當(dāng)代宇宙學(xué)最重要的目標(biāo)之一。多少人付出多少努力，才有今天這個(gè)成果?！奔s翰·科瓦克（John Kovac）說。他是哈佛-史密松天體物理中心的科學(xué)家，BICEP2合作項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人?！拔覀兊膱F(tuán)隊(duì)在背景輻射中尋找一種稱為‘B?！奶厥馄衲Ｊ?，它代表的是宇宙‘第一束光’的偏振指向中一種蜷曲的、螺旋型的模式?！表?xiàng)目共同負(fù)責(zé)人、加州理工學(xué)院（CIT）及噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的科學(xué)家杰米·波克（Jamie Bock）說。引力波在傳播過程中對所到的空間造成的扭曲，在宇宙微波背景輻射上留下了明顯的印記。像光波一樣，引力波也是橫波，具有“手性”——也就是左旋和右旋的偏振——這種螺旋的“手性”印在宇宙微波背景輻射上，就是偏振指向的B模式。

（此圖相對于下圖的比例尺更大，范圍更?。?/p>

本圖展示了一小塊天區(qū)的宇宙微波背景輻射在溫度上的輕微漲落（用不同的顏色表示）及偏振指向（用短線表示）。[來源：AP Photo/BICEP2 Collaboration]

除暴脹理論外，其他理論都不能預(yù)言引力波的產(chǎn)生。因此BICEP2團(tuán)隊(duì)宣布發(fā)現(xiàn)了背景輻射偏振指向中的B模式，不僅是對作為宇宙背景的引力波，也是對宇宙暴脹的一個(gè)強(qiáng)有力的證據(jù)。這次探測到的引力波的B模信號，比之前普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)所暗示的要稍強(qiáng)一些。這也是“引力波背景”（即作為宇宙背景的引力波，同“微波背景”類似）的一個(gè)間接證據(jù)。迄今還沒有任何探測器直接探測到引力輻射。

如果這份來自BICEP2項(xiàng)目組的聲明被其他實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這將是對暴脹理論和引力波存在的巨大支持。迄今為止，我們對周圍這個(gè)世界的全部了解，都是通過觀測電磁波獲得的。而這次的新發(fā)現(xiàn)將為我們打開了解宇宙的一扇全新的大門：引力波。通過引力波，我們將能夠進(jìn)入大爆炸之后最初一瞬間難以想象的世界，以及那里難以想象的嶄新的物理學(xué)——對粒子物理學(xué)來說，這可能是比確認(rèn)希格斯玻色子還要重要的發(fā)現(xiàn)。對引力波進(jìn)行各種不同尺度的、更為精確的測量，將允許人們檢驗(yàn)和修改暴脹模型，這無疑使我們離“大爆炸究竟是什么”這個(gè)終極問題的解答更近了一步。

引發(fā)論戰(zhàn)

確實(shí)，這都不錯(cuò)。不過，在這個(gè)高調(diào)聲明之后沒多久，就傳出了“BICEP2的結(jié)果可能是無效的”的說法。一切始于亞當(dāng)·弗科夫斯基（Adam Falkowski）的一篇博客。弗科夫斯基是歐洲核子研究組織（CERN）下屬歐洲粒子加速器的物理學(xué)家，他在博文中聲稱，BICEP2團(tuán)隊(duì)對一些數(shù)據(jù)的解讀有誤，因此他們的結(jié)果是無效的——或者，至少是有問題。一石激起千層浪，兩支隊(duì)伍壯大起來，雙方展開了激烈的辯論。一部肥皂劇由此拉開序幕……

到底發(fā)生了什么？BICEP2團(tuán)隊(duì)受到如此質(zhì)疑，部分原因在于B模偏振很難探測。這種信號十分微弱，要通過大量的觀測數(shù)據(jù)才能確認(rèn)結(jié)果是否正確無誤。但同時(shí)，大量數(shù)據(jù)中也會(huì)混入其他的光源，其中有些看上去也是B模偏振的樣子。如果沒有正確地考慮這些光源的情況，把它們誤認(rèn)作背景輻射的真實(shí)情況，就會(huì)得到“假陽性”的結(jié)果。一場大戲就是圍繞這里展開。

這有時(shí)又稱為“前景問題”。很明顯，一切星系、塵埃、星際等離子體，以及我們的銀河系，都處在我們和宇宙微波背景輻射之間。因此，要保證獲得的數(shù)據(jù)確實(shí)是來自背景輻射，就必須要考慮它在傳播途中遇到的一切（即“前景”中的一切）。我們確實(shí)有辦法做到這點(diǎn)，但也是十分困難?！翱紤]一切”永遠(yuǎn)是巨大的挑戰(zhàn)。

在BICEP2的結(jié)果公布后不久，另一個(gè)團(tuán)隊(duì)指出有一種前景效應(yīng)會(huì)影響到BICEP2的結(jié)果。這是一種稱為“射電環(huán)”的現(xiàn)象。最初，這只是人們在天空中發(fā)現(xiàn)的環(huán)形射電源，研究認(rèn)為，它們應(yīng)當(dāng)是銀河系內(nèi)已擴(kuò)散得極為巨大的古老超新星遺跡，其處在磁場中的塵埃輻射出偏振的射電波。而后來的研究表明，這種偏振輻射不僅存在于射電波段，而且在微波波段也有——因此和背景輻射的B模偏振十分相似。這種因素對結(jié)果有多大影響，現(xiàn)在還不清楚。目前，由普朗克衛(wèi)星進(jìn)行的另一個(gè)項(xiàng)目也在探測這種前景效應(yīng)，并且已經(jīng)公布了一些初步的結(jié)果，但原始的觀測數(shù)據(jù)還沒有公開。

銀河系中的射電環(huán)以及BICEP2項(xiàng)目考察的天區(qū)。[來源：Philipp Mertsch]

現(xiàn)在已經(jīng)清楚，BICEP2確實(shí)部分地利用了普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，以考慮這一前景效應(yīng)的影響。但由于普朗克衛(wèi)星的原始數(shù)據(jù)還沒有公開，BICEP2團(tuán)隊(duì)只能通過普朗克項(xiàng)目組在一張幻燈片上公開的結(jié)果，逆向推算原始的數(shù)據(jù)。問題在于，那張幻燈片提供的到底是前景上真實(shí)的偏振情況呢，還是某種平均的結(jié)果？最后，一切問題都?xì)w結(jié)為：這份結(jié)果是否正確地改正了銀河系中前景塵埃云的影響。如果他們用的是平均的偏振情況，那么BICEP2的結(jié)果就可能低估了前景“射電環(huán)”的影響。不過，這是否意味著BICEP2的結(jié)果完全無效呢？也不一定。要知道，普朗克的前景數(shù)據(jù)只是BICEP2項(xiàng)目考慮的若干前景影響中的一個(gè)。它造成的誤差可能影響很大，也可能實(shí)際上很小。

需要說明的一點(diǎn)是，BICEP2項(xiàng)目的論文目前仍在同行審議中。這很重要。論文要經(jīng)過批判性分析才能發(fā)表，而現(xiàn)在，這篇論文正在接受這一考驗(yàn)。過去，這一審議過程僅僅局限在大學(xué)和研究所內(nèi)部；如今，隨著社會(huì)媒體的報(bào)道，它也開始出現(xiàn)在公眾的注視之下了。事實(shí)上，科學(xué)工作就是這樣開展的。BICEP2團(tuán)隊(duì)大膽地宣布結(jié)果，現(xiàn)在，人人都要求他們?yōu)樽约旱穆暶鹘o出足夠的解釋。

現(xiàn)在，BICEP2團(tuán)隊(duì)帶著他們的工作成果迎接著這場論戰(zhàn)。他們的工作是否經(jīng)得起同行的審議，我們也只能拭目以待。不過，普林斯頓的宇宙學(xué)家大衛(wèi)·斯坡格爾（David Spergel）卻是冷面以對：“這個(gè)工作得不出任何宇宙學(xué)的結(jié)論——還是沒有任何支持和反對暴脹的證據(jù)?！彼f。我們必須等待普朗克團(tuán)隊(duì)公布他們對B模偏振的測量結(jié)果。普朗克衛(wèi)星將能夠精確地定出前景塵埃的影響，比現(xiàn)有的任何塵埃分布圖都精確得多。這份結(jié)果預(yù)計(jì)將在今年秋天公布。一旦塵埃的影響確定，我們對BICEP2的結(jié)果將有更清楚的認(rèn)識(shí)。

不知道那些急著召開新聞發(fā)布會(huì)、高調(diào)向世界宣布結(jié)果的科學(xué)家，是否吸取了這次的教訓(xùn)呢？