宇宙背景微光中尋獲引力波印跡

Steed

北京時(shí)間3月18日凌晨，美國哈佛－史密松天體物理中心召開新聞發(fā)布會(huì)，宣布了一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)：他們?cè)谟钪嫖⒉ū尘拜椛渲姓业搅擞梢Σ粝碌腂模式極化信號(hào)。這一發(fā)現(xiàn)堪稱宇宙學(xué)研究的“圣杯”，被譽(yù)為是“觀測(cè)宇宙學(xué)又一個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)”。那么，這一發(fā)現(xiàn)到底是怎么回事，又有著什么樣的意義呢？來看看天文學(xué)家Phil Plait在他名為“BadAstronomy”的博客上寫下的這篇評(píng)論文章吧。

這可是個(gè)大新聞：天文學(xué)家已經(jīng)正式宣布，他們首次看見了極早期宇宙中“暴漲”的直接證據(jù)，破解了宇宙演化歷史的一個(gè)全新篇章。這一發(fā)現(xiàn)在很深的層次上將相對(duì)論和量子力學(xué)聯(lián)系在一起，這是以前從來沒有出現(xiàn)過的事情。

這個(gè)消息非常重要，也非常有趣。不過，它也極為艱辛——大概是我曾經(jīng)寫過的最復(fù)雜的發(fā)現(xiàn)。這跟希格斯玻色子可不一樣，至少后者還能用一兩句話說清楚個(gè)大概。但這一新發(fā)現(xiàn)揭開了宇宙深化歷史中一個(gè)關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)，對(duì)物理學(xué)也有著深遠(yuǎn)的影響。

那么，這到底是怎么回事呢？

瞬間暴漲

我們知道，宇宙正在膨脹。不論我們朝哪里看，遙遠(yuǎn)的星系他們都在遠(yuǎn)離我們而去。如果我們把時(shí)鐘反轉(zhuǎn)回去，這就意味著，宇宙在過去要比現(xiàn)在更小，在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)體積必定（接近）為零。時(shí)間上的這一點(diǎn)通常被稱為“大爆炸”（the Big Bang），這是宇宙開始膨脹的起點(diǎn)。我們現(xiàn)在，距離大爆炸已經(jīng)有138.2億年了。

當(dāng)然，在此期間發(fā)生了很多事情，其中又有許多事情發(fā)生在大爆炸后最初遠(yuǎn)遠(yuǎn)不到1秒的那一瞬間。暴漲便是其中之一。

我得承認(rèn)，暴漲會(huì)讓你的腦子有一點(diǎn)點(diǎn)轉(zhuǎn)筋。它發(fā)生在大爆炸后大約10~35秒。為了讓你能更直觀地理解這么短時(shí)間大概有多短，我們換一個(gè)表達(dá)方式，那就是0.00000000000000000000000000000000001秒！它只持續(xù)到了大爆炸后大約10~32秒，因此以人類的標(biāo)準(zhǔn)來看，這是極短的。但我們的宇宙正是在如此短暫的瞬間被“鍛造”出來的。

在此期間，出于目前還不清楚的一些原因，宇宙經(jīng)歷了一場(chǎng)極端的膨脹。那種膨脹是加速的，跟現(xiàn)在宇宙膨脹的速度完全不可同日而語。有些模型表明，在暴漲期間，宇宙的大小增加了1050倍（有些模型甚至認(rèn)為更多）——換句話說，宇宙在對(duì)我們來說小到完全沒有意義的那一瞬間，變大了100億億億億億億倍。

就像我之前說過的，暴漲會(huì)讓你的腦子有一點(diǎn)點(diǎn)轉(zhuǎn)筋。

為什么要暴漲？

我們之所以認(rèn)為暴漲曾經(jīng)發(fā)生過，是因?yàn)橛钪婵雌饋矸浅＞鶆蚱交?。你可能?huì)覺得，宇宙一點(diǎn)兒都不平滑，明明有些地方密密麻麻擠滿了物質(zhì)和能量，而其他地方卻完全是空空蕩蕩的。但是，如果在一個(gè)真正巨大的尺度上去看遙遠(yuǎn)而又古老的宇宙，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙平滑到了讓人感到不可思議的地步。望遠(yuǎn)鏡可以遙望宇宙深處，檢驗(yàn)宇宙誕生時(shí)遺留下來的余熱，測(cè)量其中的起伏。令人吃驚的是，其中起伏的幅度僅有大約10萬分之一。暴漲解決了這個(gè)難題：宇宙一開始是疙疙瘩瘩的，但在那段極端膨脹的時(shí)期內(nèi)，所有的起伏都被抹平了。就好像一塊皺皺巴巴的床單，從各個(gè)方向拉床單，上面的皺褶就消失了。

不僅如此，暴漲還解決了宇宙幾何形狀的難題。我不會(huì)在這里解釋細(xì)節(jié)，如果你感興趣，可以去找更多的內(nèi)容來閱讀。重點(diǎn)在于，天文學(xué)家構(gòu)想出了暴漲這個(gè)點(diǎn)子，用來解釋我們?cè)诂F(xiàn)在的宇宙中看到的一些古怪特性，而且暴漲也確實(shí)很好地完成了任務(wù)。這么多年來，它都表現(xiàn)很好。

但問題在于，所有這些都只能是間接證據(jù)?？茖W(xué)家更喜歡直接證據(jù)，但我們之前還沒有找到過暴漲的任何直接證據(jù)。

時(shí)空中的漣漪

直到現(xiàn)在，這正是最新公布的這些結(jié)果所要證明的事情。暴漲模型預(yù)言，還有其他的標(biāo)記被遺留在宇宙之中，其中之一便是宇宙在經(jīng)歷迅速膨脹的時(shí)候，會(huì)在時(shí)空結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生出漣漪，被稱為引力波。這些引力波，實(shí)際上就是空間本身十分細(xì)微的膨脹和壓縮，它們會(huì)像聲波一樣在時(shí)空連續(xù)體中傳播。我們知道引力波是存在的——我們?cè)谔煳膶W(xué)觀測(cè)中看到過它們產(chǎn)生的作用，還有兩位天文學(xué)家因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了引力波的實(shí)例而獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但是，想要看見來自宇宙暴漲時(shí)期的引力波，是一件極其困難的事情。

我們看不見這些引力波，但我們可以檢測(cè)它們光線的影響，確切地說，那些光線來自早期的宇宙。引力波會(huì)使這些光線發(fā)生極化，在某種意義上說，相當(dāng)于以特定的方式把這些光波排列起來。使光線發(fā)生極化的方式可以有許多種，它們都各不相同，但是引力波可以留下一種非常特殊的極化模式（被稱為B模式極化，能夠扭曲和卷曲極化的方向，參見本文圖1）。在宇宙大爆炸留下的余光中找到這種極化模式，就會(huì)成為引力波的明確證據(jù)。而B模式極化信號(hào)，正是位于南極洲的一臺(tái)名為BICEP2的望遠(yuǎn)鏡最終檢測(cè)到的極化模式。

還能跟得上嗎？我知道，這些東西看起來離我們的日常生活都極其遙遠(yuǎn)，但事實(shí)上，這確實(shí)是非常大的一件事情。在不久以前，暴漲還只是一個(gè)非常棒的想法，是理解我們的宇宙如何從最初誕生的那一刻演化到今天我們所見包羅萬象的關(guān)鍵一環(huán)，但是沒有任何直接的證據(jù)證明它確確實(shí)實(shí)發(fā)生過?，F(xiàn)在，我們有直接證據(jù)了。

填補(bǔ)空白

打個(gè)比方來說，這就好像我們?cè)噲D去寫一本關(guān)于美國的歷史書，一直都在談?wù)撃媳睉?zhàn)爭(zhēng)，卻連它到底發(fā)生在什么時(shí)候都弄不清楚?，F(xiàn)在，我們突然發(fā)現(xiàn)了照片，找到了日記，還確定了戰(zhàn)場(chǎng)遺跡。發(fā)現(xiàn)由暴漲產(chǎn)生的引力波導(dǎo)致的B模式極化信號(hào)，就好像關(guān)于宇宙的歷史書第一章前面的空白頁上又出現(xiàn)了一些白紙黑字。

這些光向我們展示了，宇宙在誕生之后最初遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1秒的時(shí)間段內(nèi)，到底發(fā)生了什么。這相當(dāng)關(guān)鍵。理論學(xué)家已經(jīng)提出了許多不同的物理模型，來描述暴漲可能如何發(fā)揮作用。類似的觀測(cè)將幫助我們厘清哪些模型能行，哪些不行，又有哪些模型可能需要調(diào)整。比方說，這些引力波的強(qiáng)度要比模型預(yù)言的更強(qiáng)，于是你就會(huì)知道，有許多宇宙學(xué)家現(xiàn)在正站在黑板前，或埋首于紙堆之間，或者雙手交叉在腦后仰躺在座椅上，苦苦思索著哪些變量、哪些參數(shù)、哪些方程必須要如何擺弄一下，才能再現(xiàn)出這些新近獲得的觀測(cè)結(jié)果。

暴漲是宇宙發(fā)生巨大相變的一個(gè)時(shí)期。發(fā)現(xiàn)它的直接證據(jù)，也會(huì)讓我們理解宇宙的方式發(fā)生類似的巨大改變。

我之前提到過的希格斯玻色子，是現(xiàn)代粒子物理學(xué)的關(guān)鍵所在，發(fā)現(xiàn)它存在的證據(jù)是一件非常重大的事情。發(fā)現(xiàn)來自暴漲的引力波存在的證據(jù)，在宇宙學(xué)領(lǐng)域也是一件同等重要的事情。只要這一發(fā)現(xiàn)經(jīng)得起檢驗(yàn)，某些人因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就是十拿九穩(wěn)的事情。

但這對(duì)你又意味著什么呢？當(dāng)然，這取決于你自己。我們中的大多數(shù)人都可以幸福快樂地過著我們的小日子，不用去過度擔(dān)心引力波啦、亞原子粒子啦，或者宇宙在創(chuàng)生的最初一瞬間到底是什么樣子。

但是，你也可以這樣想一想：現(xiàn)在，我們能夠理解宇宙在創(chuàng)生的最初一瞬間到底是什么樣子了！這不是胡思亂想，也不是道聽途說或者坊間傳言。這項(xiàng)工作是大量研究的成果，是我們?nèi)祟悓?shù)學(xué)、科學(xué)、物理學(xué)和技術(shù)運(yùn)用了數(shù)百年之后，小心求證而得到的知識(shí)，是經(jīng)得起科學(xué)檢驗(yàn)、不怕火煉的“真金”。至少到目前為止，確實(shí)如此。

這一發(fā)現(xiàn)也有實(shí)際的意義。暴漲是基于量子力學(xué)而提出的，引力波卻屬于相對(duì)論的范疇。量子力學(xué)已經(jīng)給我們帶來了計(jì)算機(jī)、太陽能、原子能等大量的現(xiàn)代科技。相對(duì)論在許多方面對(duì)我們的日常生活同樣意義重大，比如GPS全球定位系統(tǒng)，以及核電站。過去，這兩個(gè)概念無法相容，但是現(xiàn)在，我們找到了兩者之間一個(gè)直接而又深遠(yuǎn)的關(guān)聯(lián)。這個(gè)結(jié)果還很新，我們還有很長很長的路要走，才能更好地去理解它。我們不知道這一關(guān)聯(lián)會(huì)給我們帶來什么。至少現(xiàn)在還不知道。但每次我們開啟一片新的科學(xué)領(lǐng)域，總會(huì)有各種各樣有趣的東西隨之而來，拭目以待好了。

最后一點(diǎn)，我本人并非宇宙學(xué)家，我是天文學(xué)家。但我同樣是人類的一員，當(dāng)我仰望夜空，或者透過望遠(yuǎn)鏡看到一幅璀璨影像時(shí)，我會(huì)好奇它們都是哪里來的，為什么萬事萬物會(huì)是現(xiàn)在這個(gè)樣子，又是什么令我們所處的宇宙變成了今天我們看到的樣子。我打賭，你對(duì)此也曾經(jīng)好奇過。

從我們?nèi)祟愑心芰μ岢鰡栴}時(shí)起，這些問題就一遍又一遍被人提出?，F(xiàn)在，科學(xué)正在回答它們。（來源：果殼網(wǎng)）

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北京時(shí)間3月18日凌晨，美國哈佛－史密松天體物理中心召開新聞發(fā)布會(huì)，宣布了一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)：他們?cè)谟钪嫖⒉ū尘拜椛渲姓业搅擞梢Σ粝碌腂模式極化信號(hào)。這一發(fā)現(xiàn)堪稱宇宙學(xué)研究的“圣杯”，被譽(yù)為是“觀測(cè)宇宙學(xué)又一個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)”。那么，這一發(fā)現(xiàn)到底是怎么回事，又有著什么樣的意義呢？來看看天文學(xué)家Phil Plait在他名為“BadAstronomy”的博客上寫下的這篇評(píng)論文章吧。

這可是個(gè)大新聞：天文學(xué)家已經(jīng)正式宣布，他們首次看見了極早期宇宙中“暴漲”的直接證據(jù)，破解了宇宙演化歷史的一個(gè)全新篇章。這一發(fā)現(xiàn)在很深的層次上將相對(duì)論和量子力學(xué)聯(lián)系在一起，這是以前從來沒有出現(xiàn)過的事情。

這個(gè)消息非常重要，也非常有趣。不過，它也極為艱辛——大概是我曾經(jīng)寫過的最復(fù)雜的發(fā)現(xiàn)。這跟希格斯玻色子可不一樣，至少后者還能用一兩句話說清楚個(gè)大概。但這一新發(fā)現(xiàn)揭開了宇宙深化歷史中一個(gè)關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)，對(duì)物理學(xué)也有著深遠(yuǎn)的影響。

那么，這到底是怎么回事呢？

瞬間暴漲

我們知道，宇宙正在膨脹。不論我們朝哪里看，遙遠(yuǎn)的星系他們都在遠(yuǎn)離我們而去。如果我們把時(shí)鐘反轉(zhuǎn)回去，這就意味著，宇宙在過去要比現(xiàn)在更小，在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)體積必定（接近）為零。時(shí)間上的這一點(diǎn)通常被稱為“大爆炸”（the Big Bang），這是宇宙開始膨脹的起點(diǎn)。我們現(xiàn)在，距離大爆炸已經(jīng)有138.2億年了。

當(dāng)然，在此期間發(fā)生了很多事情，其中又有許多事情發(fā)生在大爆炸后最初遠(yuǎn)遠(yuǎn)不到1秒的那一瞬間。暴漲便是其中之一。

我得承認(rèn)，暴漲會(huì)讓你的腦子有一點(diǎn)點(diǎn)轉(zhuǎn)筋。它發(fā)生在大爆炸后大約10~35秒。為了讓你能更直觀地理解這么短時(shí)間大概有多短，我們換一個(gè)表達(dá)方式，那就是0.00000000000000000000000000000000001秒！它只持續(xù)到了大爆炸后大約10~32秒，因此以人類的標(biāo)準(zhǔn)來看，這是極短的。但我們的宇宙正是在如此短暫的瞬間被“鍛造”出來的。

在此期間，出于目前還不清楚的一些原因，宇宙經(jīng)歷了一場(chǎng)極端的膨脹。那種膨脹是加速的，跟現(xiàn)在宇宙膨脹的速度完全不可同日而語。有些模型表明，在暴漲期間，宇宙的大小增加了1050倍（有些模型甚至認(rèn)為更多）——換句話說，宇宙在對(duì)我們來說小到完全沒有意義的那一瞬間，變大了100億億億億億億倍。

就像我之前說過的，暴漲會(huì)讓你的腦子有一點(diǎn)點(diǎn)轉(zhuǎn)筋。

為什么要暴漲？

我們之所以認(rèn)為暴漲曾經(jīng)發(fā)生過，是因?yàn)橛钪婵雌饋矸浅＞鶆蚱交?。你可能?huì)覺得，宇宙一點(diǎn)兒都不平滑，明明有些地方密密麻麻擠滿了物質(zhì)和能量，而其他地方卻完全是空空蕩蕩的。但是，如果在一個(gè)真正巨大的尺度上去看遙遠(yuǎn)而又古老的宇宙，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙平滑到了讓人感到不可思議的地步。望遠(yuǎn)鏡可以遙望宇宙深處，檢驗(yàn)宇宙誕生時(shí)遺留下來的余熱，測(cè)量其中的起伏。令人吃驚的是，其中起伏的幅度僅有大約10萬分之一。暴漲解決了這個(gè)難題：宇宙一開始是疙疙瘩瘩的，但在那段極端膨脹的時(shí)期內(nèi)，所有的起伏都被抹平了。就好像一塊皺皺巴巴的床單，從各個(gè)方向拉床單，上面的皺褶就消失了。

不僅如此，暴漲還解決了宇宙幾何形狀的難題。我不會(huì)在這里解釋細(xì)節(jié)，如果你感興趣，可以去找更多的內(nèi)容來閱讀。重點(diǎn)在于，天文學(xué)家構(gòu)想出了暴漲這個(gè)點(diǎn)子，用來解釋我們?cè)诂F(xiàn)在的宇宙中看到的一些古怪特性，而且暴漲也確實(shí)很好地完成了任務(wù)。這么多年來，它都表現(xiàn)很好。

但問題在于，所有這些都只能是間接證據(jù)?？茖W(xué)家更喜歡直接證據(jù)，但我們之前還沒有找到過暴漲的任何直接證據(jù)。

時(shí)空中的漣漪

直到現(xiàn)在，這正是最新公布的這些結(jié)果所要證明的事情。暴漲模型預(yù)言，還有其他的標(biāo)記被遺留在宇宙之中，其中之一便是宇宙在經(jīng)歷迅速膨脹的時(shí)候，會(huì)在時(shí)空結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生出漣漪，被稱為引力波。這些引力波，實(shí)際上就是空間本身十分細(xì)微的膨脹和壓縮，它們會(huì)像聲波一樣在時(shí)空連續(xù)體中傳播。我們知道引力波是存在的——我們?cè)谔煳膶W(xué)觀測(cè)中看到過它們產(chǎn)生的作用，還有兩位天文學(xué)家因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了引力波的實(shí)例而獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但是，想要看見來自宇宙暴漲時(shí)期的引力波，是一件極其困難的事情。

我們看不見這些引力波，但我們可以檢測(cè)它們光線的影響，確切地說，那些光線來自早期的宇宙。引力波會(huì)使這些光線發(fā)生極化，在某種意義上說，相當(dāng)于以特定的方式把這些光波排列起來。使光線發(fā)生極化的方式可以有許多種，它們都各不相同，但是引力波可以留下一種非常特殊的極化模式（被稱為B模式極化，能夠扭曲和卷曲極化的方向，參見本文圖1）。在宇宙大爆炸留下的余光中找到這種極化模式，就會(huì)成為引力波的明確證據(jù)。而B模式極化信號(hào)，正是位于南極洲的一臺(tái)名為BICEP2的望遠(yuǎn)鏡最終檢測(cè)到的極化模式。

還能跟得上嗎？我知道，這些東西看起來離我們的日常生活都極其遙遠(yuǎn)，但事實(shí)上，這確實(shí)是非常大的一件事情。在不久以前，暴漲還只是一個(gè)非常棒的想法，是理解我們的宇宙如何從最初誕生的那一刻演化到今天我們所見包羅萬象的關(guān)鍵一環(huán)，但是沒有任何直接的證據(jù)證明它確確實(shí)實(shí)發(fā)生過?，F(xiàn)在，我們有直接證據(jù)了。

填補(bǔ)空白

打個(gè)比方來說，這就好像我們?cè)噲D去寫一本關(guān)于美國的歷史書，一直都在談?wù)撃媳睉?zhàn)爭(zhēng)，卻連它到底發(fā)生在什么時(shí)候都弄不清楚?，F(xiàn)在，我們突然發(fā)現(xiàn)了照片，找到了日記，還確定了戰(zhàn)場(chǎng)遺跡。發(fā)現(xiàn)由暴漲產(chǎn)生的引力波導(dǎo)致的B模式極化信號(hào)，就好像關(guān)于宇宙的歷史書第一章前面的空白頁上又出現(xiàn)了一些白紙黑字。

這些光向我們展示了，宇宙在誕生之后最初遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1秒的時(shí)間段內(nèi)，到底發(fā)生了什么。這相當(dāng)關(guān)鍵。理論學(xué)家已經(jīng)提出了許多不同的物理模型，來描述暴漲可能如何發(fā)揮作用。類似的觀測(cè)將幫助我們厘清哪些模型能行，哪些不行，又有哪些模型可能需要調(diào)整。比方說，這些引力波的強(qiáng)度要比模型預(yù)言的更強(qiáng)，于是你就會(huì)知道，有許多宇宙學(xué)家現(xiàn)在正站在黑板前，或埋首于紙堆之間，或者雙手交叉在腦后仰躺在座椅上，苦苦思索著哪些變量、哪些參數(shù)、哪些方程必須要如何擺弄一下，才能再現(xiàn)出這些新近獲得的觀測(cè)結(jié)果。

暴漲是宇宙發(fā)生巨大相變的一個(gè)時(shí)期。發(fā)現(xiàn)它的直接證據(jù)，也會(huì)讓我們理解宇宙的方式發(fā)生類似的巨大改變。

我之前提到過的希格斯玻色子，是現(xiàn)代粒子物理學(xué)的關(guān)鍵所在，發(fā)現(xiàn)它存在的證據(jù)是一件非常重大的事情。發(fā)現(xiàn)來自暴漲的引力波存在的證據(jù)，在宇宙學(xué)領(lǐng)域也是一件同等重要的事情。只要這一發(fā)現(xiàn)經(jīng)得起檢驗(yàn)，某些人因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就是十拿九穩(wěn)的事情。

但這對(duì)你又意味著什么呢？當(dāng)然，這取決于你自己。我們中的大多數(shù)人都可以幸?？鞓返剡^著我們的小日子，不用去過度擔(dān)心引力波啦、亞原子粒子啦，或者宇宙在創(chuàng)生的最初一瞬間到底是什么樣子。

但是，你也可以這樣想一想：現(xiàn)在，我們能夠理解宇宙在創(chuàng)生的最初一瞬間到底是什么樣子了！這不是胡思亂想，也不是道聽途說或者坊間傳言。這項(xiàng)工作是大量研究的成果，是我們?nèi)祟悓?shù)學(xué)、科學(xué)、物理學(xué)和技術(shù)運(yùn)用了數(shù)百年之后，小心求證而得到的知識(shí)，是經(jīng)得起科學(xué)檢驗(yàn)、不怕火煉的“真金”。至少到目前為止，確實(shí)如此。

這一發(fā)現(xiàn)也有實(shí)際的意義。暴漲是基于量子力學(xué)而提出的，引力波卻屬于相對(duì)論的范疇。量子力學(xué)已經(jīng)給我們帶來了計(jì)算機(jī)、太陽能、原子能等大量的現(xiàn)代科技。相對(duì)論在許多方面對(duì)我們的日常生活同樣意義重大，比如GPS全球定位系統(tǒng)，以及核電站。過去，這兩個(gè)概念無法相容，但是現(xiàn)在，我們找到了兩者之間一個(gè)直接而又深遠(yuǎn)的關(guān)聯(lián)。這個(gè)結(jié)果還很新，我們還有很長很長的路要走，才能更好地去理解它。我們不知道這一關(guān)聯(lián)會(huì)給我們帶來什么。至少現(xiàn)在還不知道。但每次我們開啟一片新的科學(xué)領(lǐng)域，總會(huì)有各種各樣有趣的東西隨之而來，拭目以待好了。

最后一點(diǎn)，我本人并非宇宙學(xué)家，我是天文學(xué)家。但我同樣是人類的一員，當(dāng)我仰望夜空，或者透過望遠(yuǎn)鏡看到一幅璀璨影像時(shí)，我會(huì)好奇它們都是哪里來的，為什么萬事萬物會(huì)是現(xiàn)在這個(gè)樣子，又是什么令我們所處的宇宙變成了今天我們看到的樣子。我打賭，你對(duì)此也曾經(jīng)好奇過。

從我們?nèi)祟愑心芰μ岢鰡栴}時(shí)起，這些問題就一遍又一遍被人提出?，F(xiàn)在，科學(xué)正在回答它們。（來源：果殼網(wǎng)）

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北京時(shí)間3月18日凌晨，美國哈佛－史密松天體物理中心召開新聞發(fā)布會(huì)，宣布了一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)：他們?cè)谟钪嫖⒉ū尘拜椛渲姓业搅擞梢Σ粝碌腂模式極化信號(hào)。這一發(fā)現(xiàn)堪稱宇宙學(xué)研究的“圣杯”，被譽(yù)為是“觀測(cè)宇宙學(xué)又一個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)”。那么，這一發(fā)現(xiàn)到底是怎么回事，又有著什么樣的意義呢？來看看天文學(xué)家Phil Plait在他名為“BadAstronomy”的博客上寫下的這篇評(píng)論文章吧。

這可是個(gè)大新聞：天文學(xué)家已經(jīng)正式宣布，他們首次看見了極早期宇宙中“暴漲”的直接證據(jù)，破解了宇宙演化歷史的一個(gè)全新篇章。這一發(fā)現(xiàn)在很深的層次上將相對(duì)論和量子力學(xué)聯(lián)系在一起，這是以前從來沒有出現(xiàn)過的事情。

這個(gè)消息非常重要，也非常有趣。不過，它也極為艱辛——大概是我曾經(jīng)寫過的最復(fù)雜的發(fā)現(xiàn)。這跟希格斯玻色子可不一樣，至少后者還能用一兩句話說清楚個(gè)大概。但這一新發(fā)現(xiàn)揭開了宇宙深化歷史中一個(gè)關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)，對(duì)物理學(xué)也有著深遠(yuǎn)的影響。

那么，這到底是怎么回事呢？

瞬間暴漲

我們知道，宇宙正在膨脹。不論我們朝哪里看，遙遠(yuǎn)的星系他們都在遠(yuǎn)離我們而去。如果我們把時(shí)鐘反轉(zhuǎn)回去，這就意味著，宇宙在過去要比現(xiàn)在更小，在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)體積必定（接近）為零。時(shí)間上的這一點(diǎn)通常被稱為“大爆炸”（the Big Bang），這是宇宙開始膨脹的起點(diǎn)。我們現(xiàn)在，距離大爆炸已經(jīng)有138.2億年了。

當(dāng)然，在此期間發(fā)生了很多事情，其中又有許多事情發(fā)生在大爆炸后最初遠(yuǎn)遠(yuǎn)不到1秒的那一瞬間。暴漲便是其中之一。

我得承認(rèn)，暴漲會(huì)讓你的腦子有一點(diǎn)點(diǎn)轉(zhuǎn)筋。它發(fā)生在大爆炸后大約10~35秒。為了讓你能更直觀地理解這么短時(shí)間大概有多短，我們換一個(gè)表達(dá)方式，那就是0.00000000000000000000000000000000001秒！它只持續(xù)到了大爆炸后大約10~32秒，因此以人類的標(biāo)準(zhǔn)來看，這是極短的。但我們的宇宙正是在如此短暫的瞬間被“鍛造”出來的。

在此期間，出于目前還不清楚的一些原因，宇宙經(jīng)歷了一場(chǎng)極端的膨脹。那種膨脹是加速的，跟現(xiàn)在宇宙膨脹的速度完全不可同日而語。有些模型表明，在暴漲期間，宇宙的大小增加了1050倍（有些模型甚至認(rèn)為更多）——換句話說，宇宙在對(duì)我們來說小到完全沒有意義的那一瞬間，變大了100億億億億億億倍。

就像我之前說過的，暴漲會(huì)讓你的腦子有一點(diǎn)點(diǎn)轉(zhuǎn)筋。

為什么要暴漲？

我們之所以認(rèn)為暴漲曾經(jīng)發(fā)生過，是因?yàn)橛钪婵雌饋矸浅＞鶆蚱交?。你可能?huì)覺得，宇宙一點(diǎn)兒都不平滑，明明有些地方密密麻麻擠滿了物質(zhì)和能量，而其他地方卻完全是空空蕩蕩的。但是，如果在一個(gè)真正巨大的尺度上去看遙遠(yuǎn)而又古老的宇宙，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙平滑到了讓人感到不可思議的地步。望遠(yuǎn)鏡可以遙望宇宙深處，檢驗(yàn)宇宙誕生時(shí)遺留下來的余熱，測(cè)量其中的起伏。令人吃驚的是，其中起伏的幅度僅有大約10萬分之一。暴漲解決了這個(gè)難題：宇宙一開始是疙疙瘩瘩的，但在那段極端膨脹的時(shí)期內(nèi)，所有的起伏都被抹平了。就好像一塊皺皺巴巴的床單，從各個(gè)方向拉床單，上面的皺褶就消失了。

不僅如此，暴漲還解決了宇宙幾何形狀的難題。我不會(huì)在這里解釋細(xì)節(jié)，如果你感興趣，可以去找更多的內(nèi)容來閱讀。重點(diǎn)在于，天文學(xué)家構(gòu)想出了暴漲這個(gè)點(diǎn)子，用來解釋我們?cè)诂F(xiàn)在的宇宙中看到的一些古怪特性，而且暴漲也確實(shí)很好地完成了任務(wù)。這么多年來，它都表現(xiàn)很好。

但問題在于，所有這些都只能是間接證據(jù)?？茖W(xué)家更喜歡直接證據(jù)，但我們之前還沒有找到過暴漲的任何直接證據(jù)。

時(shí)空中的漣漪

直到現(xiàn)在，這正是最新公布的這些結(jié)果所要證明的事情。暴漲模型預(yù)言，還有其他的標(biāo)記被遺留在宇宙之中，其中之一便是宇宙在經(jīng)歷迅速膨脹的時(shí)候，會(huì)在時(shí)空結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生出漣漪，被稱為引力波。這些引力波，實(shí)際上就是空間本身十分細(xì)微的膨脹和壓縮，它們會(huì)像聲波一樣在時(shí)空連續(xù)體中傳播。我們知道引力波是存在的——我們?cè)谔煳膶W(xué)觀測(cè)中看到過它們產(chǎn)生的作用，還有兩位天文學(xué)家因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了引力波的實(shí)例而獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但是，想要看見來自宇宙暴漲時(shí)期的引力波，是一件極其困難的事情。

我們看不見這些引力波，但我們可以檢測(cè)它們光線的影響，確切地說，那些光線來自早期的宇宙。引力波會(huì)使這些光線發(fā)生極化，在某種意義上說，相當(dāng)于以特定的方式把這些光波排列起來。使光線發(fā)生極化的方式可以有許多種，它們都各不相同，但是引力波可以留下一種非常特殊的極化模式（被稱為B模式極化，能夠扭曲和卷曲極化的方向，參見本文圖1）。在宇宙大爆炸留下的余光中找到這種極化模式，就會(huì)成為引力波的明確證據(jù)。而B模式極化信號(hào)，正是位于南極洲的一臺(tái)名為BICEP2的望遠(yuǎn)鏡最終檢測(cè)到的極化模式。

還能跟得上嗎？我知道，這些東西看起來離我們的日常生活都極其遙遠(yuǎn)，但事實(shí)上，這確實(shí)是非常大的一件事情。在不久以前，暴漲還只是一個(gè)非常棒的想法，是理解我們的宇宙如何從最初誕生的那一刻演化到今天我們所見包羅萬象的關(guān)鍵一環(huán)，但是沒有任何直接的證據(jù)證明它確確實(shí)實(shí)發(fā)生過?，F(xiàn)在，我們有直接證據(jù)了。

填補(bǔ)空白

打個(gè)比方來說，這就好像我們?cè)噲D去寫一本關(guān)于美國的歷史書，一直都在談?wù)撃媳睉?zhàn)爭(zhēng)，卻連它到底發(fā)生在什么時(shí)候都弄不清楚?，F(xiàn)在，我們突然發(fā)現(xiàn)了照片，找到了日記，還確定了戰(zhàn)場(chǎng)遺跡。發(fā)現(xiàn)由暴漲產(chǎn)生的引力波導(dǎo)致的B模式極化信號(hào)，就好像關(guān)于宇宙的歷史書第一章前面的空白頁上又出現(xiàn)了一些白紙黑字。

這些光向我們展示了，宇宙在誕生之后最初遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1秒的時(shí)間段內(nèi)，到底發(fā)生了什么。這相當(dāng)關(guān)鍵。理論學(xué)家已經(jīng)提出了許多不同的物理模型，來描述暴漲可能如何發(fā)揮作用。類似的觀測(cè)將幫助我們厘清哪些模型能行，哪些不行，又有哪些模型可能需要調(diào)整。比方說，這些引力波的強(qiáng)度要比模型預(yù)言的更強(qiáng)，于是你就會(huì)知道，有許多宇宙學(xué)家現(xiàn)在正站在黑板前，或埋首于紙堆之間，或者雙手交叉在腦后仰躺在座椅上，苦苦思索著哪些變量、哪些參數(shù)、哪些方程必須要如何擺弄一下，才能再現(xiàn)出這些新近獲得的觀測(cè)結(jié)果。

暴漲是宇宙發(fā)生巨大相變的一個(gè)時(shí)期。發(fā)現(xiàn)它的直接證據(jù)，也會(huì)讓我們理解宇宙的方式發(fā)生類似的巨大改變。

我之前提到過的希格斯玻色子，是現(xiàn)代粒子物理學(xué)的關(guān)鍵所在，發(fā)現(xiàn)它存在的證據(jù)是一件非常重大的事情。發(fā)現(xiàn)來自暴漲的引力波存在的證據(jù)，在宇宙學(xué)領(lǐng)域也是一件同等重要的事情。只要這一發(fā)現(xiàn)經(jīng)得起檢驗(yàn)，某些人因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就是十拿九穩(wěn)的事情。

但這對(duì)你又意味著什么呢？當(dāng)然，這取決于你自己。我們中的大多數(shù)人都可以幸?？鞓返剡^著我們的小日子，不用去過度擔(dān)心引力波啦、亞原子粒子啦，或者宇宙在創(chuàng)生的最初一瞬間到底是什么樣子。

但是，你也可以這樣想一想：現(xiàn)在，我們能夠理解宇宙在創(chuàng)生的最初一瞬間到底是什么樣子了！這不是胡思亂想，也不是道聽途說或者坊間傳言。這項(xiàng)工作是大量研究的成果，是我們?nèi)祟悓?shù)學(xué)、科學(xué)、物理學(xué)和技術(shù)運(yùn)用了數(shù)百年之后，小心求證而得到的知識(shí)，是經(jīng)得起科學(xué)檢驗(yàn)、不怕火煉的“真金”。至少到目前為止，確實(shí)如此。

這一發(fā)現(xiàn)也有實(shí)際的意義。暴漲是基于量子力學(xué)而提出的，引力波卻屬于相對(duì)論的范疇。量子力學(xué)已經(jīng)給我們帶來了計(jì)算機(jī)、太陽能、原子能等大量的現(xiàn)代科技。相對(duì)論在許多方面對(duì)我們的日常生活同樣意義重大，比如GPS全球定位系統(tǒng)，以及核電站。過去，這兩個(gè)概念無法相容，但是現(xiàn)在，我們找到了兩者之間一個(gè)直接而又深遠(yuǎn)的關(guān)聯(lián)。這個(gè)結(jié)果還很新，我們還有很長很長的路要走，才能更好地去理解它。我們不知道這一關(guān)聯(lián)會(huì)給我們帶來什么。至少現(xiàn)在還不知道。但每次我們開啟一片新的科學(xué)領(lǐng)域，總會(huì)有各種各樣有趣的東西隨之而來，拭目以待好了。

最后一點(diǎn)，我本人并非宇宙學(xué)家，我是天文學(xué)家。但我同樣是人類的一員，當(dāng)我仰望夜空，或者透過望遠(yuǎn)鏡看到一幅璀璨影像時(shí)，我會(huì)好奇它們都是哪里來的，為什么萬事萬物會(huì)是現(xiàn)在這個(gè)樣子，又是什么令我們所處的宇宙變成了今天我們看到的樣子。我打賭，你對(duì)此也曾經(jīng)好奇過。

從我們?nèi)祟愑心芰μ岢鰡栴}時(shí)起，這些問題就一遍又一遍被人提出。現(xiàn)在，科學(xué)正在回答它們。（來源：果殼網(wǎng)）

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