在 137 亿年前大爆炸发生的那个时刻, 我们所居住的宇宙被压缩到一个难以想象的小尺度上,相伴随的是极高的温度和极大的密度。 当宇宙年龄在38 万年时 ,宇宙膨胀得足以让辐射冷却下来 ,不再与带电粒子相互作用,空间变得透明了,辐射将自由地穿过空间飞向我们。这些微波背景辐射表明,那时的宇宙同样是以百万分之一的精度呈现出各向同性的。 只是后来,当宇宙的年龄为数十亿年时,物质居然不均匀地聚集起来,形成了星系和星系团。 因此,宇宙学家采用了简单假设: 宇宙是均匀与各向同性的, 而在总体的均匀与各向同性中含有微小的随机不规则性。 尽管非均匀性很小,却至关重要。 由于宇宙学形式的马太效应, 那些含物质高于均值的稠密区域通过吸收稀疏区域的物质,随着时间推移,高于均值区域演化成星系团、星系、恒星和人。
标准大爆炸理论只是说在宇宙之初有一场爆炸,而没有告诉我们到底是什么爆炸,如何爆炸,更没有说为何爆炸。 日常知识告诉我们,引力是一种吸引力,它使万物彼此靠近,怎能引发爆炸呢? 所以,原初时刻一定存在着某种强大的排斥力。 这个困扰人们的问题,直到 1980 年代初得到了解答。 答案居然十分简单,爱因斯坦关于宇宙学常数的老想法以暴涨宇宙的新形式得以复兴。
暴涨宇宙学不仅弥补了标准大爆炸宇宙学中的许多漏洞,诸如解决了视界疑难、平坦性疑难与拓扑缺陷过丰等问题,并且给出了一系列预言。 随着 BICEP2 团队的工作以及先前的种种实验验证,所有这些预言都得到了确认。 除此之外,暴涨宇宙学还帮助我们理解了早期宇宙是如何获得了它那极低的熵,这使得我们比以往任何时刻都更接近时间之箭的解释。 暴涨宇宙学还在量子力学与广义相对论之间建立了桥梁。
取得直接证据
量子力学的海森伯原理告诉我们,在任何量子系统中总存在着一个随机涨落。 在暴涨宇宙学的框架中,这意味着量子场将展现出这种涨落。 这就是卫星所观测到的辐射温度的随机分布数据的本源。
由于诸如光子那样的矢量场所具有的对称性,它们产生的涨落并未对微波背景温度提供实质性的贡献。 所以真正要关注的两类量子涨落是暴涨子场和引力场的涨落。 暴涨子场是驾驭宇宙暴涨的场,它为最终转换成物质和辐射作了主要贡献。 换句话说,暴涨子场涨落对早期等离子密度涨落作了主要贡献。 由于暴涨子场是标量场,它所产生的涨落,有时也称作为标量涨落。 这在卫星探测器实验中已经被证实。
引力场当然也有量子涨落,这些涨落产生了引力波。 引力场是一种张量场,所以引力场的涨落有时也称作张量涨落。 在原则上,我们能探测引力波,这是因为在物体较远处引力波会拉伸物体,当引力波通过物体时会挤压它。 这好比在海滩上,潮水冲上沙滩时海波会卷起沙子,而当海潮退下后沙滩会留下波浪的痕迹。 宇宙空间中当然没有沙子,只有微波背景辐射。 无处不在的辐射是否会留下引力波的痕迹呢?答案很简单,引力波会给背景辐射留下痕迹!
为了阐明这个痕迹,我们不得不说一下极化这个概念。 任何类型的电磁辐射都有极化,微波背景辐射也不例外。 电磁波是传播电场和磁场振荡的涟漪, 可以指定电场上下振荡方向来定义极化方向。
当我们观测多个光子形成的辐射时,每个光子的极化方向是随机的, 给出的叠加净效应几乎接近于零。 在我们使用白炽灯时,就是这种情形,宇宙背景辐射也几乎是这样。 不过,科学家们通过仔细分析能测量出微波背景辐射中的极化残余。
但是,暴涨子场涨落与引力子场涨落都能造成背景辐射的极化。 这正是成也萧何,败也萧何! 成败皆极化,不过此极化不是彼极化。 通过仔细分析,极化存在着两种形态:E 模极化和 B 模极化。 暴涨子涨落只造成背景辐射的 E 模极化,而引力波既会造成 E 模极化也会造成 B 模极化。
用通俗的话来说,B 模会产生一个涡旋状的极化形态而 E 模不会。 利用这个性质,BICEP2 团队观测到了 B 模极化形态,并指出这是大爆炸后原初引力波的独特印记。 他们还定量地指出张量与标量贡献之比为 0.2。
给我们的启迪
大爆炸引力波为人类带来新认知,BICEP2 团队公布这个伟大发现已经一个多星期了,但是余音绕梁,人们激动之情仍未平复,这个发现给我们带来了众多的启迪。
尽管实验物理学家确证了原初引力波的存在,但是理论家居功至伟。 最高的荣誉仍归于爱因斯坦, 他的广义相对论是进行这些研究的基本工具,告诉我们在引力的影响下, 宇宙将如何随时间演化。 爱因斯坦建议的宇宙学常数,给出了排斥性引力的最简示例。 更为重要的是,爱因斯坦预言了引力波存在,找寻引力波成了一代又一代科学家追寻的目标。 古斯是暴涨思想的始作俑者,随后林德和史坦哈德特为完备暴涨宇宙理论也做出了重要贡献。
科学进步的总趋势是不可抗拒的,正如一江春水总是向东流,而水面上树叶的运动路径却百转千回。 BICEP2 团队的发现给我们的另一个启迪是,不同知识岛之间的“渗流”是十分重要的。 粒子物理和广义相对论的观念系统相差甚远,但是一旦将粒子物理中的希格斯场的观念融入到宇宙学中,就会产生重大的创新。 这使我们相信万物在更深层次上的相关性。
将望远镜指向月球就会发现月球表面坑凹的伽利略时代早就过去了。 当代科学的进步,必定需要理论的指引。 没有理论指引下的实验验证,犹如瞎子摸象。 如果盲人摸到了象鼻子,倒还得到了大象的部分特征,可怕的是盲人骑瞎马摸到的仅仅是大象背上的土。 对理论物理学家的任何漠视,最终会酿成一坛发酸的苦酒。
科学的进步,创新思想是关键。 科学的成功常常在于 B 模这样的另辟蹊径,别出心裁。 低水平的重复与简单的线性放大长期困扰着我国科学界。 发现欧姆定律是伟大的,重复验证欧姆定律是初中生的玩意儿。
为什么 BICEP2 团队找到了原初引力波, 而普朗克探测器没有发现? 后者的经费投入远高于前者,这说明重大发现并不与科研投入成正比。 诺贝尔奖并不能与培养体育明星那样选苗,行政行为无法设定谁将取得划时代的成果。 科学家之所以投入研究,绝对不是为了取得金钱。 重赏之下,并不出智夫。 如果将科研人员的收入差异盲目扩大,必将破坏团队的和谐,带来严重的后果。
BICEP2 团队的论文由 47 位作者署名, 而团队的负责人科瓦奇位列 27 位, 但是某报想当然地依照我国的行政惯例称科瓦奇为第一作者。 我国科技团队为了文章署名,常常闹得不亦乐乎,甚至导致同事反目,团队散伙。 这种莫名其妙的行政规定给科研造成的损失还少吗?
科学的进步,是从未知到达已知,未知之树上仍然挂满了金苹果,只有对未知世界充满好奇的人才会得到它。
