麻省理工教授谈发现原初引力波："绝对"可获诺奖

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　　探秘决定宇宙命运的瞬间

　　发现原初引力波，这一宇宙暴胀理论的直接证据，在宇宙学领域具有里程碑式的意义。科学家称，这“绝对”是一项可以获得诺贝尔奖的研究

　　本刊记者/ 钱炜

　　墨镜、笨重到会影响行动的防寒服与手套、冻得发红的皮肤…… 照片上的约翰·科瓦克看上去更像是一名冰雪世界探险者，而不是出身于常春藤名校的天文物理学家。过去23年间，他曾23次踏上南极那片荒凉极寒之地。他们的观测装备——宇宙河外偏振背景成像望远镜(BECEP)就位于南极极点的美国科考站。如今，那些仰望星空的孤独长夜终于有了回报——

　　3月17日，科瓦克的团队在美国波士顿宣布：他们发现了宇宙微波背景辐射(CMB)B模式的存在，这是宇宙大爆炸早期产生的引力波的印迹，也是宇宙暴胀理论的直接证据。此时，距离爱因斯坦提出广义相对论已过去近一个世纪，也是CMB被发现以来的第50个年头。

　　这个发现为还只是哈佛大学助理教授的科瓦克的前路铺满鲜花。美国麻省理工学院(MIT)教授阿兰·古斯在接受英国《自然》杂志采访时就明确表示，这“绝对”是一项可以获得诺贝尔奖的研究。实际上，古斯自己也该非常开心，因为他正是提出宇宙暴胀理论的第一人。很多人都认为，古斯与科瓦克等人将很快一起分享诺贝尔奖。而国内中山大学天文与空间科学研究院院长李淼说得更加明确：也许就在2015年，不会晚于2016年。

　　回眸宇宙的38万岁

　　最初吸引科瓦克走上天文学这条路的，是诺贝尔物理学奖得主史蒂芬·温伯格的一本书《宇宙最初三分钟》。这是本宇宙学入门秘籍。温伯格在书中写道，在1950年代，研究宇宙的诞生这个问题，还被注重体面的科学家们不屑一顾，因为当时无论是理论还是观测的基础都不具备。但仅仅过了10年，也就是1964年，科学家们发现了宇宙微波背景辐射，证实了大爆炸理论，从此，宇宙学开始成为一门严肃的学科被认真研究和讨论。

　　当时，还是高中生的科瓦克读到这本书，觉得很酷，他觉得，科学里再没有比研究宇宙更大的问题了。这本书1977年首次面世时就大受欢迎，作者在1993年增补内容后再度出版。而宇宙微波背景辐射的发现者则在此书出版后第二年就获得了诺贝尔奖。

　　在亚马逊英文网站，这本书与阿兰·古斯写的《暴胀宇宙：追寻宇宙起源的新理论》放在一起，被推荐搭配购买。这是因为，古斯的暴胀理论，正是建立在宇宙大爆炸学说和CMB基础之上。

　　苏萌是MIT物理系和卡弗里天体物理研究中心的博士后研究员，同时也在哈佛大学天文系兼职，曾在2008～2012年追随科瓦克攻读博士学位并主要参与了BECEP1项目。他在接受《中国新闻周刊》采访时解释说，在宇宙发生大爆炸后的起初一段时间里，温度密度都很高，就像一碗“热汤”。这时没有原子，质子和电子都只能以游离状态存在，一旦它们结合，就会马上被周围无数的高能光子“拆散”。直到宇宙的38万岁那一年，由于宇宙的持续膨胀，这碗“汤”的温度密度已经降到足够低，光子的能量越来越低，能撞到电子的概率也微乎其微。原子开始结合，恒星与星系的种子开始生长……此后，这些光子就成了无关紧要的背景，在宇宙中孤独穿行，直至今天，被地球上的人类探测到，被称为宇宙微波背景辐射。

　　当大爆炸模型成为解释宇宙起源的主流理论后，科学上还是有一些问题无法解释清楚。在理论上，宇宙微波背景辐射应该很不均匀，可实际上，人们却可以从天空各个方向看到CMB，且在各个方向上都惊人地相似——这就形成了一个悖论。

　　宇宙诞生的最初一瞬间

　　1979年，还只是一名普通物理学博士后的阿兰·古斯提出了一个惊人的假设。此时，这位戴着宽大眼镜的理科宅男已经当了9年的博士后。他曾少年得志，没念完高中，17岁跳级进了MIT，在那里念到博士学位。但之后的经历却平平淡淡，辗转于普林斯顿、哥伦比亚与康奈尔大学，急缺一项出色的研究来确立自己的学术地位。

　　转折发生在一位华裔博士后戴自海邀请他加入一项新的研究之时。这项工作直接催生了古斯的宇宙暴胀设想。(戴自海后来也成为著名高能物理学家，如今执掌香港科技大学高研院。)

　　古斯认为，在宇宙大爆炸的一瞬间，大概就在10-37秒与10-34秒之间，宇宙经历了一个异常快速膨胀的阶段，被他称作暴胀。“这种暴胀，不是像原子弹那样从一个中心点扩散到别处，而是类似地球的每一个角落都在发生爆炸。暴胀的程度，相当于在如此之短的时间内把头发丝的直径拉大到整个银河系那样的规模”，苏萌形容说。暴胀理论可以解释为何宇宙从大尺度上看来如此均匀的问题：因为是瞬间暴胀，所有物质在诞生之初都被赋予了相似的面貌。因此，即使后来各个天体间不再发生关联，但却拥有相似的宇宙微波背景辐射。1980年，古斯关于暴胀理论的论文发表，引起学界震动。他也收到了母校的邀请，回到MIT担任教授至今。

　　“暴胀的一瞬间，已经决定了我们整个宇宙的命运”，苏萌解释说，实际上，现在已经有很多宇宙学家认为，我们的宇宙不止一次地发生过大爆炸，这一暴胀过程可能是循环往复的，同时，也存在着不止一个宇宙。而那些宇宙能够演化成什么样，会不会产生恒星与星系，会不会演化出像人类这样的高智能生物，都取决于爆炸瞬间的暴胀过程。“你甚至可以说，如果没有暴胀，就没有今天人类回溯宇宙诞生瞬间的这件事。”

　　寻找圣杯

　　根据爱因斯坦的广义相对论，暴胀的时空扰动会产生引力波。由于这种引力波产生于宇宙诞生之初，就被人们称之为“原初引力波”。原初引力波叠加于宇宙微波背景辐射，使之产生了一种特有的偏振，被称为B模式。要想找到原初引力波的踪迹，就只能深入研究CMB。

　　然而，在古斯的暴胀理论提出30多年后，科学家却迟迟没有找到支持该理论的证据——原初引力波。世界上起码有七八个团队同时在做类似的研究，原初引力波成了宇宙学领域的一个圣杯。起初，被人们最寄予厚望的是2009年欧洲空间局发射的普朗克望远镜。它位于地球150万千米之上的太空，角状天线中藏有74个辐射计，全部指向宇宙最深处，背对着地球和太阳。早在两年多以前，普朗克就完成了主要观测计划。

　　然而，欧洲1000多名科研人员对着普朗克传回的海量数据分析了两年后，尽管也发表了31篇论文，却没有什么令人激动的发现。而科瓦克的团队从2006年开始在南极建设BECEP，在第一代仪器没有做出惊人发现后，于2010年搭建了第二代BECEP2，很快就发现了原初引力波的迹象，并在和BECEP1的对比研究中得到证实。对此，科瓦克也惊喜异常，因为原初引力波非常微弱，他们原以为要等第三代望远镜投入使用后才能找到。“这就像是，你本来只打算在一堆柴火里找一根细针，没想到却发现了一根铁棍。”

　　BECEP与普朗克的“胜负”，其实是两种不同观测思路的差异。苏萌解释说，太空中的干扰比地面少，背景更加干净，这是普朗克的优势。但由于是巡天望远镜，也就是说，普朗克观测的是全天的宇宙微波背景辐射，数据量十分庞大，分析工作有着不小的难度。而BECEP只对准一小片特定的天区，对其进行长期观测，因此可说是小而精。

　　之所以将BECEP设在海拔2800米的南极大陆，也并非偶然。这是因为，大气中的水蒸气会吸收微波辐射并产生新的辐射。而南极气温极低，空气干燥，且至今没有人类定居，能排除手机、电视广播等电子设备带来的信号干扰。

　　科瓦克是个幸运儿，他曾因差点落选哈佛教授的竞聘而与今天的发现擦肩而过。据苏萌回忆，2008年，哈佛天文系招聘，从几百位申请人中筛选出5人进入最终面试，科瓦克就是其中之一。面试结果，科瓦克排名第三。但巧的是，排名前两位的两个人没有接受哈佛的邀请，于是，科瓦克最终成为哈佛宇宙微波背景辐射研究团队的领导人。受《宇宙最初三分钟》的影响，科瓦克上大学时选择了普林斯顿，因为那里有多位研究CMB的大师级人物。从1992年起，科瓦克就开始几乎每年都去南极做天文观测，曾有很多个圣诞节在冰原上度过。

　　发现原初引力波，在宇宙学领域具有里程碑式的意义。苏萌说，“宇宙学的最大特点就是不确定性。现在我们只是确定了，在宇宙诞生之初确实出现过暴胀瞬间。接下来，科瓦克的团队还在搭建第三代、第四代仪器，将对暴胀的具体细节做更多研究。” ★