探測(cè)宇宙最初的暴漲理論

鄧雪梅/編譯

坐落在南極的BICEP2射電望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到來(lái)自于宇宙大爆炸后瞬間的引力波印記

如果想象一下大爆炸理論會(huì)令你頭疼的話，那么大爆炸后瞬間所發(fā)生的事情會(huì)讓你更加難以想象。宇宙學(xué)家們認(rèn)為剛剛創(chuàng)生不久的宇宙——此時(shí)物質(zhì)和能量極其致密和炙熱——經(jīng)歷了一場(chǎng)比光速還要快的瞬間膨脹。就像一個(gè)神奇的氣球，宇宙在短短10-32秒的時(shí)間里膨脹到原來(lái)大小的60倍。這一階段，被稱為暴漲，該過(guò)程甚至在宇宙演化還不到1秒的時(shí)間之前就早早結(jié)束了。

探測(cè)到引力波痕跡

現(xiàn)在，就在宇宙演化的137億年之后，宇宙學(xué)家們探測(cè)到了這個(gè)暴漲階段的第一個(gè)直接證據(jù)——這也是宇宙學(xué)領(lǐng)域20年中的最大發(fā)現(xiàn)之一。通過(guò)研究宇宙微波背景（CMB）——它是大爆炸遺留物——他們辨認(rèn)出了引力波留下的痕跡。引力波是整個(gè)宇宙時(shí)空結(jié)構(gòu)中的漣漪。在宇宙誕生之后，引力波便在宇宙中傳播。這些引力波在宇宙微波背景中留下的印跡是理論學(xué)家?guī)资曛邦A(yù)測(cè)的結(jié)論。不久前，哈佛大學(xué)史密森天體物理中心宣布，類似于電磁相互作用等其他基本作用力一樣，在最小尺度上的引力也遵循著量子力學(xué)的規(guī)律。

“這是一個(gè)令人震驚的結(jié)果。”麻省理工學(xué)院的宇宙學(xué)家艾倫·古斯（Alan Guth）說(shuō)。他也是暴漲理論最早的提出者之一。古斯并沒(méi)有參與史密森天體物理中心宣布的科學(xué)研究，之前他發(fā)誓要保守秘密以后，研究人員曾向他展示了一份手稿。“這一觀測(cè)的可信度非常高，”他說(shuō)。斯坦福大學(xué)的宇宙學(xué)家安德烈·林德（Andrei Linde）表示贊同：“如果這些結(jié)果是正確的，那么暴漲理論已經(jīng)通過(guò)了迄今最難的檢驗(yàn)?！彼彩潜q理論的建立者之一。

這一發(fā)現(xiàn)來(lái)自于設(shè)置在南極上的一臺(tái)小而尖端的望遠(yuǎn)鏡：宇宙河外偏振背景成像（BICEP）望遠(yuǎn)鏡。如同可見光和其他種類的電磁輻射一樣，宇宙微波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)可以沿著任意方向無(wú)數(shù)次的振蕩。研究人員通過(guò)使用BICEP望遠(yuǎn)鏡來(lái)繪制在不同天區(qū)中宇宙微波背景的方向或極化。數(shù)據(jù)來(lái)自于2010年1月到2012年12月間一小塊天區(qū)，研究人員發(fā)現(xiàn)了在宇宙微波背景中一個(gè)隨機(jī)的微弱螺旋式偏振模式。這個(gè)螺旋式偏振模被稱為B模，它是原始宇宙中引力波的印記。并且正如宇宙學(xué)家們指出的一樣，B模也是暴漲存在的確鑿證據(jù)。

“我們認(rèn)為，引入B模可能是引力波的唯一途徑?！惫鸫髮W(xué)宇宙學(xué)家約翰·科瓦奇（John Kovac）說(shuō)。他是BICEP項(xiàng)目的四個(gè)主要研究者之一。

其重要性不言而喻

根據(jù)宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型，當(dāng)宇宙剛誕生之時(shí)，它包含了一個(gè)與電場(chǎng)類似的量子場(chǎng)，這個(gè)量子場(chǎng)充滿了量子漲落。暴漲把這些十分微小的漲落放大成巨大尺度，并把這些漲落留在了密度、能量和物質(zhì)中。這些留在密度、能量和物質(zhì)中的漲落最終形成了我們今天所看到的宇宙結(jié)構(gòu)，比如星系以及其他一切。這種漲落也在宇宙微波背景溫度中產(chǎn)生變化。通過(guò)觀測(cè)遍布全天的宇宙微波背景輻射，宇宙學(xué)家已經(jīng)確定宇宙成分包括了普通物質(zhì)、神秘的暗物質(zhì)和怪異的暗能量。

然而，由于量子力學(xué)不僅在大爆炸中產(chǎn)生的量子場(chǎng)會(huì)不斷漲落，整個(gè)時(shí)空也在不斷地漲落。暴漲把時(shí)空中的引力波拉長(zhǎng)了數(shù)十億光年的波長(zhǎng)。這些引力波在宇宙微波背景中留下了印記，在某種程度上散射的宇宙微波背景光子產(chǎn)生了科瓦奇和他的同事所看到的極化模式。

BICEP利用了一些其他實(shí)驗(yàn)，包括歐洲空間局的普朗克探測(cè)器。普林斯頓大學(xué)宇宙學(xué)家蘇珊娜·斯塔格斯（Suzanne Staggs）說(shuō)，當(dāng)聽到這個(gè)消息時(shí)她感到很震驚。她在智利從事阿塔卡馬B模搜索項(xiàng)目?！拔以较朐郊?dòng)，因?yàn)樾盘?hào)是如此之大。”她說(shuō)。

科瓦奇指出，該實(shí)驗(yàn)的成功在很大程度上是得益于測(cè)量微波背景輻射極化技術(shù)的發(fā)展。用于進(jìn)行觀測(cè)的望遠(yuǎn)鏡探測(cè)器是由加州理工學(xué)院杰米·博克（Jamie Bock）所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)建造的，該團(tuán)隊(duì)曾參與研發(fā)普朗克探測(cè)器。鑒于普朗克于2007年發(fā)射升空，“我們已經(jīng)能夠從事研發(fā)這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡并不斷升級(jí)探測(cè)器。”科瓦奇說(shuō)。此外，普朗克探測(cè)器搜尋整個(gè)天區(qū)，而BICEP的望遠(yuǎn)鏡則集中于一小塊天區(qū)?！艾F(xiàn)在，我們正急切地等待著普朗克數(shù)據(jù)的極化結(jié)果。”科瓦奇說(shuō)。

B模的發(fā)現(xiàn)僅僅是個(gè)開始，研究人員說(shuō)。目前信號(hào)的強(qiáng)度告訴理論學(xué)家們?cè)谟钪姹q期間的能量密度。通過(guò)研究天空中較大和較小的B模統(tǒng)計(jì)分布，它們或許可以能拼合原始宇宙中能量和密度分布的詳細(xì)圖像。這將有助于明確一個(gè)精確的暴漲模型。

“對(duì)我們來(lái)說(shuō)，這是巨大的，其重要性不言而喻?！奔s翰·霍普金斯大學(xué)宇宙學(xué)家馬克·卡米奧庫(kù)斯基（Marc Kamionkowski）說(shuō)?！安⒉皇敲刻煸缟夏阈褋?lái)都能發(fā)現(xiàn)在宇宙大爆炸之后的10-36秒發(fā)生了什么事情?！?/p>