阿爾伯特·愛因斯坦

弗雷德·霍伊爾

仰望浩渺的星空，人們總是要問：宇宙從何而來？3月17日，美國天文學(xué)家宣布，他們發(fā)現(xiàn)了原初引力波穿越嬰兒宇宙留下的印記，這是宇宙剛剛誕生時急劇膨脹的首個直接證據(jù)，這一具有里程碑意義的重大發(fā)現(xiàn)，有望幫助弄清宇宙誕生之謎，破解“世紀(jì)懸案”。

據(jù)悉，原初引力波是愛因斯坦于1916年發(fā)表的廣義相對論中提出的，它是宇宙誕生之初產(chǎn)生的一種時空波動，隨著宇宙的演化而被削弱。科學(xué)界目前普遍認(rèn)為，宇宙誕生于距今約140億年前的一次“大爆炸”。在大爆炸之后不到1秒鐘的原初時刻，宇宙曾在極短時間內(nèi)經(jīng)歷了速度快到無法想象的急劇膨脹，這一過程稱為“暴漲”。科學(xué)家說，原初引力波將可以幫助人們追溯到宇宙創(chuàng)生之初的一段極其短暫的暴漲過程。然而，廣義相對論提出近百年來，源于它的其他重要預(yù)言，如光線的彎曲、水星的近日點進(jìn)動，以及引力紅移效應(yīng)等都被一一證實，而引力波卻始終未被直接探測到，問題就在于其信號極其微弱，技術(shù)上很難測量，因此也有人將之戲稱為“世紀(jì)懸案”與“宇宙中最大的徒勞無益之事”。

為驗證暴漲理論，美國哈佛－史密森天體物理學(xué)中心等機(jī)構(gòu)研究人員，利用位于南極的BICEP2望遠(yuǎn)鏡，對宇宙大爆炸的“余燼”——微波背景輻射進(jìn)行觀測。微波背景輻射是一種均勻散落在宇宙空間中的微弱電磁波，它如同埋藏在宇宙深處的“化石”，記錄著早期宇宙的許多信息。微波背景輻射中的微波因為被原子和電子散射而具有偏振性，新研究尋找的是一種叫作B模式的特殊偏振模式，其特點是會形成旋渦，是宇宙極早期的一種時空波動——原初引力波留下的“獨特印記”。研究人員說，他們意外發(fā)現(xiàn)了比“預(yù)想的強(qiáng)烈得多”的B模式偏振信號，隨后經(jīng)過3年多的分析，排除了其他可能的來源，確認(rèn)它就是暴漲期間原初引力波穿越宇宙導(dǎo)致的。研究共同作者、明尼蘇達(dá)大學(xué)的克萊姆·普賴克說：“這就好像要在草堆里找一根針，結(jié)果我們找到了一根鐵撬棍。”這一發(fā)現(xiàn)意味著宇宙暴漲理論獲得迄今最有力的證據(jù)，并將幫助人們更詳細(xì)地了解暴漲的過程。

一些物理學(xué)家認(rèn)為，愛因斯坦于1916年提出的廣義相對論預(yù)言了原初引力波的存在，但科學(xué)界此前一直沒有找到這種波存在的證據(jù)，新發(fā)現(xiàn)也意味著廣義相對論的勝利，這是一項諾貝爾獎級別的發(fā)現(xiàn)。美國亞利桑那州立大學(xué)理論物理學(xué)家勞倫斯·克勞斯說，雖然這項成果還需要得到進(jìn)一步驗證，但“無論怎樣，都令人激動”。如被證實，將“可以躋身過去25年最重要的宇宙學(xué)發(fā)現(xiàn)之列”，有望獲得諾貝爾獎。（本報華盛頓3月18日電 本報駐華盛頓記者 王傳軍）

延伸閱讀

何為宇宙大爆炸？

● 大爆炸是描述宇宙誕生初始條件及其后續(xù)演化的宇宙學(xué)模型，這一模型得到了當(dāng)今科學(xué)研究和觀測最廣泛且最精確的支持。宇宙學(xué)家通常所指的大爆炸觀點為：宇宙是在過去有限的時間之前，由一個密度極大且溫度極高的太初狀態(tài)演變而來的（根據(jù)2013年普朗克衛(wèi)星所得到的最佳觀測結(jié)果，宇宙大爆炸距今137.98±0.37億年），并經(jīng)過不斷膨脹到達(dá)今天的狀態(tài)。

● 大爆炸這一模型的框架基于愛因斯坦的廣義相對論，又在場方程的求解上作出了一定的簡化。1922年，蘇聯(lián)物理學(xué)家亞歷山大·弗里德曼用廣義相對論描述了流體，從而給出了這一模型的場方程。1929年，美國物理學(xué)家埃德溫·哈勃通過觀測發(fā)現(xiàn)并推導(dǎo)出了膨脹宇宙的觀點。1927年，勒梅特通過求解弗里德曼方程在理論上提出了同樣的觀點，這個解后來被稱作弗里德曼－勒梅特－羅伯遜－沃爾克度規(guī)。

● 大爆炸一詞首先是由英國天文學(xué)家弗雷德·霍伊爾所采用的。他在1949年3月BBC的一次廣播節(jié)目中將勒梅特等人的理論稱作“這個大爆炸的觀點”。1964年發(fā)現(xiàn)的宇宙微波背景輻射是支持大爆炸確實發(fā)生的重要證據(jù)，特別是當(dāng)測得其頻譜從而繪制出它的黑體輻射曲線之后，大多數(shù)科學(xué)家都開始相信大爆炸理論了。（陳茵、徐暢整理 本文圖片均為資料圖片）

原初引力波發(fā)現(xiàn)的四大意義

1、填補(bǔ)了廣義相對論實驗驗證的最后一塊缺失的拼圖

愛因斯坦1916年發(fā)表的廣義相對論預(yù)言了宇宙誕生之初產(chǎn)生的一種時空波動——原初引力波的存在。過去近百年中，廣義相對論的其他預(yù)言如光線的彎曲、水星的近日點進(jìn)動以及引力紅移效應(yīng)都已獲證實，唯有原初引力波因信號極其微弱，技術(shù)上很難測量，而一直徘徊在天文學(xué)家“視線”之外。劍橋大學(xué)博士、加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的“CITA國家研究員”馬寅哲認(rèn)為，原初引力波的發(fā)現(xiàn)是支持廣義相對論的又一有力證據(jù)，相對論所預(yù)言的所有實驗現(xiàn)象全部被驗證，實驗與理論符合得都很好。

2、打開了觀測宇宙的一扇新窗戶

在天文學(xué)幾百年來的發(fā)展過程中，人們觀測宇宙的主要手段是觀測光，也就是說幾乎所有天文實驗都是在收集光子。而根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)宇宙大爆炸理論，大爆炸之后約40萬年，光子、電子及其他粒子混在一起，宇宙處于晦暗的迷霧狀態(tài)，光無法穿透。而引力波則不同，它誕生在宇宙大爆炸之初并以光速傳播。從事引力波研究多年的美國亞利桑那州立大學(xué)理論物理學(xué)家勞倫斯·克勞斯認(rèn)為，引力波被測量到，意味著人們可以通過引力波而一直追溯到大爆炸之后僅僅10的負(fù)35方秒的極早時期，同時引力波也可以作為另一種觀測宇宙的手段。引力波天文學(xué)這門新學(xué)科的大門也由此打開。

3、有助于真正理解宇宙大爆炸原初時刻的物理過程

根據(jù)20世紀(jì)80年代逐漸發(fā)展起來的暴漲理論，約140億年前，在大爆炸之后10的負(fù)35方秒的時間里，宇宙以指數(shù)速度急劇膨脹，即所謂“暴漲過程”。原初引力波忠實記錄了暴漲時期的物理過程。馬寅哲告訴記者，現(xiàn)在關(guān)于大爆炸原初時刻的理論模型有數(shù)百個，但“到底哪個對，還是都不對，在今天之前是不清楚的。但如果（美國科學(xué)家的）結(jié)果是真的，那么很多理論模型會被排除”。

4、意味著對宇宙微波背景輻射的測量將會進(jìn)入下一個重要里程碑

宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸的“余燼”，是一種彌漫在整個宇宙空間中的微弱電磁波信號。過去幾十年中，人們測量微波背景輻射，其實主要測量的是溫度場的信息，卻一直沒有測量到引力波的獨特印記——B模式偏振。目前，全球多個小組在探測引力波，新發(fā)現(xiàn)無疑將極大鼓舞他們的士氣，并促進(jìn)有關(guān)國家進(jìn)一步加大科研經(jīng)費和人力資源投入。(據(jù)新華社華盛頓3月17日電 記者林小春）