有關(guān)原初引力波的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)

本刊資料室

2014 年3月17 日，美國(guó)BICEP2合作組在哈佛大學(xué)史密森天體物理中心召開新聞發(fā)布會(huì)，宣布通過宇宙微波背景輻射的極化實(shí)驗(yàn)首次探測(cè)到了原初引力波的信號(hào)（圖1）．這個(gè)實(shí)驗(yàn)探測(cè)結(jié)論還有待驗(yàn)證，若被證實(shí)，則是一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)，將對(duì)整個(gè)物理學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響．

圖1 美國(guó)BICEP2合作組通過架設(shè)在南極的天文望遠(yuǎn)鏡BICEP2發(fā)現(xiàn)了早期宇宙產(chǎn)生的原初引力波的“獨(dú)特印記”

1 什么是引力波

在狹義相對(duì)論建立的基礎(chǔ)上，1915 年，愛因斯坦建立了廣義相對(duì)論并導(dǎo)出了引力場(chǎng)方程

式中Rμν和R分別為描述時(shí)空特性的參數(shù)，gμν是時(shí)空基本度規(guī)張量，Tμν是物質(zhì)張量，k是比例系數(shù)．根據(jù)對(duì)引力場(chǎng)方程的研究，1918 年，愛因斯坦從理論上預(yù)言了引力波的存在．

按電磁學(xué)理論，帶電物質(zhì)做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，電磁場(chǎng)就會(huì)振蕩并發(fā)出電磁波．所以，電磁波就是傳播著的電磁場(chǎng)．

相類似，有質(zhì)量的物質(zhì)做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，引力場(chǎng)就會(huì)振蕩并發(fā)出引力波．所以，引力波就是傳播著的引力場(chǎng)．

2 引力波的性質(zhì)

（1）引力波是橫波，在遠(yuǎn)源處為平面波，有兩個(gè)獨(dú)立的偏振態(tài)．

（2）引力波攜帶能量，在真空中以光速傳播．

（3）在一般情況下，引力作用比電磁作用弱很多，例如，一對(duì)正、負(fù)電子，在同等距離的情況下，引力與靜電力之比為

因此，一般質(zhì)量的物質(zhì)做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的引力波非常非常非常弱，只有宇宙中大質(zhì)量天體的加速運(yùn)動(dòng)，才能產(chǎn)生較強(qiáng)的引力波．但是，它們傳播到地球時(shí)則非常非常弱，例如，引力輻射最強(qiáng)的雙星系獅子座UV到達(dá)地球表面的能流只有3．5×10－12爾格／（厘米2·秒），再加上物質(zhì)對(duì)引力波吸收效率極低，所以，直接探測(cè)引力波極為困難．曾有人宣稱在實(shí)驗(yàn)室里探測(cè)到了引力波但未得到公認(rèn)．過去的情況是，天文學(xué)家只能通過觀測(cè)雙星軌道參數(shù)的變化來(lái)間接驗(yàn)證引力波的存在 ．

（4）引力波的穿透性極強(qiáng)，可開發(fā)成為遠(yuǎn)距離傳遞信息而衰減很小的技術(shù)．

3 什么是原初引力波

關(guān)于宇宙的起源，有不同的學(xué)說(shuō)，最著名的是宇宙大爆炸理論．該理論認(rèn)為，約在137 億年前，宇宙發(fā)生了原始爆炸（溫度達(dá)1032K）并不斷膨脹；原始爆炸后10－6s（溫度降為1013K），物質(zhì)只能以中子、質(zhì)子、電子、光子和中微子等基本粒子形態(tài)存在，各種粒子相互碰撞、相互轉(zhuǎn)化處于平衡之中；原始爆炸后20 min（溫度降到108K）氦核形成；原始爆炸后2×105年（溫度降到4×103K）元素開始復(fù)合；隨著溫度降低、體積膨脹，逐步形成原子、分子，并復(fù)合成為通常的氣體．氣體逐漸凝聚成星云，星云進(jìn)一步形成各種各樣的恒星和星系，最終形成我們現(xiàn)在所看到的宇宙．宇宙大爆炸理論解釋了多數(shù)宇宙現(xiàn)象（3K微波背景輻射、天體的年齡、氦的豐度等），因而基本得到公認(rèn)．

但大爆炸理論并非與所有天文觀測(cè)結(jié)果相吻合．因此，1980 年，麻省理工學(xué)院科學(xué)家阿蘭·古斯等人提出“宇宙暴漲理論”，認(rèn)為宇宙在大爆炸之后的短暫時(shí)期（10－35s左右）曾經(jīng)歷過一個(gè)急劇快速膨脹的階段，稱為暴漲．在暴漲階段，物質(zhì)有強(qiáng)烈、快速的變化，會(huì)發(fā)出非常強(qiáng)的引力波．在暴漲階段發(fā)出的引力波稱為原初引力波．因此，如果科學(xué)家能探測(cè)到原初引力波，那么，就意味著對(duì)宇宙的起源、形成、發(fā)展有更清楚、更深刻的認(rèn)識(shí)．

4 原初引力波的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)

根據(jù)宇宙暴漲理論，宇宙早期曾經(jīng)歷過一次大規(guī)模的快速膨脹．若確實(shí)發(fā)生過，就會(huì)在宇宙中遺留下在大爆炸之后38 萬(wàn)年時(shí)的特征性光輻射，即宇宙微波背景輻射（cosmicmicrowavebackground，CMB），原初引力波的B模偏振信號(hào)則會(huì)疊加在宇宙微波背景輻射之中．為了探測(cè)到宇宙暴漲留下的痕跡（B模偏振信號(hào)），需要一臺(tái)可以辨別溫度微小變化的望遠(yuǎn)鏡，精密度要求到1℃的百萬(wàn)分之一．哈佛大學(xué)的約翰·科瓦克博士等，2006 年開始探測(cè)原初引力波的實(shí)驗(yàn)研究，BICEP1項(xiàng)目于2006 ～2008 年在南極進(jìn)行，后繼實(shí)驗(yàn)BICEP2采用了新的探測(cè)器技術(shù)，于2010 年開始搜集數(shù)據(jù)，直到2012 年．在探測(cè)中，他們得到一張疊加在宇宙微波背景輻射之中的偏振圖（圖2），它的樣子像是在磁場(chǎng)中灑在一個(gè)平面上的鐵粉，擁有一種獨(dú)特的，略呈渦旋狀，或卷曲狀的形態(tài)，它就是B模式偏振，是原初引力波留下的“獨(dú)特印記”．BICEP1與BICEP2是兩種完全不同的儀器，采用完全不同的技術(shù)，但卻檢測(cè)到同樣的信號(hào)，經(jīng)過3年多的縝密分析，排除了其他可能的來(lái)源，確認(rèn)B模式偏振是原初引力波導(dǎo)致的結(jié)果．

圖2 分析得出的原初引力波“獨(dú)特印記”——B模式偏振

5 結(jié)論有待進(jìn)一步驗(yàn)證

BICEP2合作組宣布的已發(fā)現(xiàn)原初引力波的“獨(dú)特印記”，是經(jīng)過3年多縝密分析得出的結(jié)論．但還有些疑問有待澄清，例如，尚未排除觀察到的B型偏振模式的所有可能的非暴漲源的可能性，為什么在BICEP2的數(shù)據(jù)中觀察到的B模偏振性要比歐洲的普朗克空間望遠(yuǎn)鏡得到的結(jié)果高出幾乎兩倍……由于事件的復(fù)雜性，已發(fā)現(xiàn)原初引力波的結(jié)論有待進(jìn)一步驗(yàn)證．期待著其他原初引力波研究小組的觀察結(jié)果．