引力波痕跡到底是什么

悠悠

2014年3月17日，美國(guó)哈佛大學(xué)的約翰·科瓦奇向世界宣布，他和自己的射電天文學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了宇宙大爆炸的引力波痕跡。他們使用架設(shè)在南極的BICEP2望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)，在宇宙微波背景輻射的偏振信號(hào)中發(fā)現(xiàn)了原初引力波的痕跡。宇宙微波背景輻射有時(shí)也被稱為大爆炸“余暉”，微波背景輻射的偏振信號(hào)與某種太陽(yáng)鏡的偏振現(xiàn)象類似。

他們獲得的微波背景輻射偏振圖，具有獨(dú)特旋渦或者卷曲結(jié)構(gòu)，有類似鐵屑灑在磁鐵表面產(chǎn)生的效果。該現(xiàn)象是宇宙在暴脹過(guò)程中產(chǎn)生引力波擴(kuò)散的指示器。

宇宙微波背景輻射的偏振圖可以分為兩個(gè)部分。一個(gè)是旋度為零的部分（類電場(chǎng)部分），稱為“E模偏振”，簡(jiǎn)稱為“E?！薄＿@種偏振最先于2002年被度角尺度干涉儀（DASI）發(fā)現(xiàn)。另一個(gè)是散度為零、旋度不為零的部分（類磁場(chǎng)部分），稱為“B模偏振”，簡(jiǎn)稱為“B?！?，具有手征性。宇宙學(xué)家已預(yù)測(cè)出兩種B模：第一種是在大爆炸發(fā)生后的瞬間發(fā)生宇宙暴脹時(shí)生成，第二種是在后來(lái)由引力透鏡生成。

約翰·科瓦奇探測(cè)到的是第一種B模。稍早時(shí)候，南極望遠(yuǎn)鏡已發(fā)現(xiàn)了第二種B模。這一發(fā)現(xiàn)可能對(duì)檢驗(yàn)宇宙起源理論有所幫助?？茖W(xué)家現(xiàn)在正在使用普朗克衛(wèi)星測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，希望能夠更進(jìn)一步了解這些引力波。

宇宙暴脹發(fā)生在宇宙大爆炸之后，是宇宙經(jīng)歷指數(shù)級(jí)擴(kuò)張的一個(gè)短暫時(shí)期（本刊2013年第A12期有詳細(xì)解釋）。如果這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)得到確認(rèn)，“宇宙大爆炸”理論將得到證實(shí)。

問(wèn)：您和您的團(tuán)隊(duì)在BICEP2實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的宇宙微波背景、輻射數(shù)據(jù)中看到了什么？

答：最重要的結(jié)果是我們發(fā)現(xiàn)了探測(cè)暴脹模型的隱含信息，我們看到了原初引力波的直接圖像。原初引力波使得光線以獨(dú)特的方式發(fā)生偏振。宇宙微波背景輻射是大爆炸之后38萬(wàn)年的快照，當(dāng)時(shí)，宇宙微波背景輻射首次自由穿過(guò)太空，而引力波信號(hào)則在宇宙誕生后的一瞬間出現(xiàn)，并疊加在宇宙微波背景輻射信號(hào)上。

問(wèn)：這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)還有其他的重要意義嗎？

答：研究宇宙學(xué)的人都知道，宇宙暴脹B模預(yù)測(cè)并未被廣泛認(rèn)可，其不僅取決于引力波現(xiàn)象，還基于引力自身量化。宇宙暴脹理論假設(shè)任何物質(zhì)都起始于量子起伏，之后伴隨暴脹過(guò)程被放大。因此，從深層次角度來(lái)講，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)在于量子力學(xué)和引力理論的關(guān)聯(lián)性是正確的。

問(wèn)：BIcEP2實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到的B模偏振信號(hào)是普朗克探測(cè)器觀測(cè)數(shù)據(jù)的2倍，這暗示著什么呢？答：迄今公布的普朗克探測(cè)器觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自宇宙微波背景輻射的溫度地圖，并非來(lái)自一種直接偏振測(cè)量。我們?cè)谶@項(xiàng)分析工作中十分小心謹(jǐn)慎，但是我必須承認(rèn)我們的觀測(cè)數(shù)據(jù)與普朗克觀測(cè)數(shù)據(jù)相比，具有較高的信噪比。在過(guò)去三年里，我們致力于解決一切可能篡改該信號(hào)的系統(tǒng)問(wèn)題，我們已做了最詳盡的科學(xué)分析。

問(wèn)：你何時(shí)意識(shí)到探測(cè)到了夢(mèng)寐以求的“宇宙暴脹理論的直接證據(jù)”？

答：2013年秋季，我們首次對(duì)比分析了BICEP2和BICEP1的觀測(cè)數(shù)據(jù)，這是最有力的證據(jù)。因?yàn)锽ICEP1采用非常獨(dú)特的探測(cè)器，擁有成熟的技術(shù)，我們使用了不同設(shè)備和完全不同的技術(shù)，最終獲得的信號(hào)數(shù)據(jù)卻是一致的，從而打消了我們最后的疑慮。

12月初，我在南極召開了一次緊急會(huì)議，并展示了我們的測(cè)試數(shù)據(jù)，以及仍須檢測(cè)的數(shù)據(jù)。等這些測(cè)試通過(guò)，我們將會(huì)全部公開。

問(wèn)：你們當(dāng)時(shí)慶祝了嗎？或者之后慶祝了嗎？

答：我在整個(gè)過(guò)程中始終保持冷靜，進(jìn)行慶祝的時(shí)間應(yīng)當(dāng)是在發(fā)布最終研究結(jié)果時(shí)。

問(wèn)：什么使你對(duì)宇宙微波背景輻射產(chǎn)生興趣？

答：我在高中時(shí)代閱讀了史蒂芬·溫伯格有關(guān)宇宙學(xué)的書籍《最初的三分鐘》，被深深地吸引了。我還記得書中一些內(nèi)容：“現(xiàn)在我們迎來(lái)了一個(gè)完全不同的天文學(xué)時(shí)代，這是一個(gè)10年前無(wú)法理解和描述的故事。我們所研究的將不再是銀河系或者類似星系數(shù)億年前釋放的宇宙光線，而是宇宙誕生時(shí)四處彌漫的射電背景?！?/p>

這段內(nèi)容是溫伯格介紹宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)及其重要意義時(shí)說(shuō)的。對(duì)于宇宙學(xué)而言，這是一個(gè)全新的概念。當(dāng)時(shí)我還是一個(gè)孩子，我覺(jué)得這是最酷的科學(xué)研究，畢竟沒(méi)有比這更大的問(wèn)題。

我選擇在普林斯頓大學(xué)讀本科是因?yàn)檫@本書提過(guò)這所大學(xué)。宇畝微波背景輻射天文學(xué)領(lǐng)域中的幾位重要人物：吉姆.皮布爾斯、羅伯特-迪克和大衛(wèi)·威爾金森都來(lái)自這所大學(xué)。更為幸運(yùn)的是，我成為大衛(wèi)·威爾金森的學(xué)生，并協(xié)助他完成了一些校內(nèi)工作。在他的指導(dǎo)下，我進(jìn)入宇宙微波背景輻射實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)時(shí)，他們計(jì)劃在南極建造一臺(tái)宇宙微波背景輻射望遠(yuǎn)鏡，我被深深地吸引了。實(shí)際上，在上學(xué)期間，我有一年時(shí)間在校外度過(guò)，并依靠自己的能力獲得前往南極實(shí)驗(yàn)站的機(jī)會(huì)。1990年至1991年間，在宇宙背景探測(cè)器（COBE）衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射首次出現(xiàn)波動(dòng)不久，架設(shè)在南極的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到了同樣的宇宙微波背景輻射，兩者相隔不到一年時(shí)間。從那以后，我持續(xù)從事這項(xiàng)研究，去了南極23次?，F(xiàn)在回想起來(lái)，非常慶幸自己能在宇宙微波背景輻射領(lǐng)域的最前沿工作。

問(wèn)：你的書架上存放著加州理工學(xué)院已故天體物理學(xué)家安德魯·蘭格的照片。在他2010年因抑郁癥自殺身亡之前，曾指導(dǎo)過(guò)許多參與宇宙微波背景輻射實(shí)驗(yàn)的學(xué)生。他在你的事業(yè)生涯中起到了何種作用？

答：我在來(lái)到哈佛大學(xué)之前曾經(jīng)在加州理工學(xué)院安德魯·蘭格的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行博士后研究工作，之后又成為高級(jí)研究員。蘭格在學(xué)術(shù)方面給予我許多靈感，同時(shí)也是我的益友。在研究工作中，他委托給我重要的任務(wù)，鼓勵(lì)我參與BICEP1望遠(yuǎn)鏡的安裝與操作，并引導(dǎo)我完成下一代研究項(xiàng)目，使我成為BICEP2望遠(yuǎn)鏡的首席科學(xué)家及研究報(bào)告的第一作者。

蘭格喜歡將尋找B模偏振描述為“宇宙學(xué)最大的徒勞的事情”。他一定很喜歡看到這個(gè)研究成果，知道我們并非徒勞！

我也是芝加哥大學(xué)天文學(xué)家約翰·卡爾斯特姆的研究生。雖然目前卡爾斯特姆是我的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手之一，但他也是我最親密的朋友，我有兩位偉大的導(dǎo)師。

問(wèn)：你的兒子今年多大？他是如何看待你的研究工作的？

答：我的兒子今年9歲，他對(duì)我的研究工作非常興奮。他能理解許多內(nèi)容，甚至能夠向我的妻子解釋，我對(duì)此感到十分驚訝。如果他年齡再大一點(diǎn)，可以和我一起前往南極。endprint