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哈佛-史密森天體物理學中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)對外發布科學新聞,其實更早之前,“哈佛-史密森天體物理學中心即將對外發布新聞”的訊息就已經使整個物理學界充滿了興奮、激動和期待。物理學家們對這條新聞的內容已經事先猜測得八九不離十,果然,一組由多個研究機構的科學家組成的觀測小組在南極利用射電望遠鏡觀測,他們分析了近幾年的觀測資料後,終於正式宣佈在宇宙微波背景輻射(Cosmic Microwave Background)中發現了其中的B模式偏振現象,這與此前天體物理學家的理論預測完全相符,可以說他們找到了支援宇宙暴脹理論最為有力的實驗證據。

這個宇宙學的最新發現,迅速在全世界引起了巨大反響。美國加州理工學院的理論物理學家肖恩·卡羅爾(Sean Carrol)說:“除非是找到了地球以外的生命或是發現了暗物質的本質,沒有比這更為偉大的宇宙學發現了。”美國麻省理工學院的物理學家、諾貝爾物理獎得主弗蘭克·維爾切克(Frank Wilczek)評論道,(這個發現是)“大膽與極簡主義的勝利”;他隨後又評論道,“大自然的品位很不錯”。

世界性的關注與無人比肩的聲譽隨之而來,人們預測宇宙暴脹理論最初的提出者,麻省理工學院的物理學家阿蘭·古斯(Alan Guth)與剛剛取得決定性實驗證據的南極觀測團隊的領導者約翰·科瓦奇(John Kovac)將是下一屆諾貝爾物理獎的最熱門人選,但是整個物理學界可能仍然需要一段時間才能真正認識到這個實驗證據的發現給宇宙學與理論物理學研究所帶來的深遠影響。

宇宙學家們此前已經可以認定,我們的宇宙誕生於大約138億年前的一次宇宙大爆炸(Big Bang),時間與空間,一切自此開始。在1964年,美國射電天文學家阿諾·彭齊亞斯(Arno Penzias)與羅伯特·威爾遜(Robert Wilson)共同發現了宇宙大爆炸在現今宇宙中的迴響——宇宙微波背景輻射,這使得大爆炸成為宇宙學研究中被公認的基礎理論,他們也因此獲得了1978年的諾貝爾物理獎。但是人們對於宇宙的早期經歷仍然充滿好奇,一個起源於一次大爆炸的宇宙是如何成長為現在空蕩蕩的、平坦的宇宙?為什麼宇宙的各處物質分佈非常均勻?為什麼宇宙空間的曲率非常低?針對這些疑問,阿蘭·古斯在1990年大膽提出“宇宙暴脹”模型,根據這個模型,宇宙在大爆炸後很短的時間內,經歷了一次指數級的“暴脹”,這次暴脹發生的原因、持續時間現在還不清楚,這次暴脹的能量隨後轉化為宇宙中的普通物質與輻射,也正是這次暴脹造就了一個各處均勻的、空間曲率極低的宇宙。

宇宙暴脹模型解釋了人們對於宇宙現狀的很多疑問,但是這個模型需要真正的宇宙學觀測資料來證實。如果尚處在嬰兒時期的宇宙真的在短時間內發生了一次指數級的暴脹,那麼根據廣義相對論的預測,整個宇宙中應該存在著這次暴脹所產生的引力波痕跡。引力波與電磁波的形式相似,它是一種空間的褶皺,在空間中以光速傳播,對空間自身進行擠壓或是拉伸。但是引力波的效應太過微弱,此前,人們對於這種僅僅存在於理論中的引力波是否能真正被實驗探測到,或是它是否真正存在都一直有疑慮。但是,宇宙學家有可能探測到宇宙暴脹時期所產生的引力波存在的證據,這種證據就是它在宇宙微波背景輻射中造成的偏振現象。早在1996年,就有宇宙學家預測,這種太初的引力波可能使宇宙微波背景輻射產生B模式偏振,這是一種漩渦狀的偏振現象,如果可以探測到這種現象,不光將是引力波存在的直接證據,也將是對宇宙暴脹理論最有力的支援。

約翰·科瓦奇所領導的宇宙微波背景輻射探測小組正是為了探測在宇宙微波背景輻射中的這種B模式偏振現象,他們選擇在遠離電磁干擾的南極探測站,利用BICEP2射電望遠鏡進行觀測。要探測到這種極其細微的偏振現象,探測器必須極其靈敏,並且可以分辨出偏振的模式。實際上,即使沒有太初引力波的存在,宇宙微波背景輻射自身也會產生某種程度的偏振現象,這種偏振首先被DASI望遠鏡觀測到,但是並不能作為支援暴脹理論的證據。相比於前任,在2006至2008年間進行探測的只有49個探測器的BICEP1望遠鏡,在2010至2012年間進行探測的BICEP2探測器由512個超導探測器構成(計劃將於2014年開始工作的BICEP3望遠鏡則將由2560個探測器構成),在經過了3年的探測後,科學家們把所得到的探測資料與此前BICEP1得到的實驗資料進行了比較。科學家們把利用BICEP2得到的探測資料繪製成一個宇宙中某一區域的微波背景輻射的偏振地圖,並且把偏振分解為E模式和B模式。宇宙中的其他訊號,以及在觀測過程中的干擾,都會在宇宙微波背景輻射中產生E模式的偏振,但是隻有太初引力波的影響才會同時產生E模式與B模式的偏振,這才使得此次對於B模式偏振的觀測資料與結論顯得格外令人信服。

正是利用這種具有極高精度,可以分辨一千萬分之一開爾文溫度差別的射電望遠鏡,並且排除了在宇宙中引力透鏡現象和宇宙塵埃對於觀測資料的影響,約翰·科瓦奇的團隊以相當高的可信度宣佈,他們在宇宙微波背景輻射中發現了太初引力波存在的證據,這個發現,堪稱宇宙學研究中的“聖盃”。

現在還有一些宇宙學家在等待著歐洲空間局發射的普朗克衛星在太空中獲得的最新資料對南極觀測小組的資料進行確認,這個由多個研究機構合作而首先發現的觀測結果一旦被科學界所證實和承認,不僅將是近年來宇宙學研究最重要的發現之一,它對於基礎物理學研究的影響將更為深遠。宇宙在誕生之初,處於一個量子態,而暴脹現象則一下將這個處於量子態的宇宙拉伸至巨集觀領域,這個領域則是廣義相對論所適用的領域。目前,量子力學與廣義相對論存在著深刻的矛盾,B模式偏振的發現,把目前物理學界不可調和的兩大支柱——量子力學和廣義相對論緊緊地聯絡在了一起。引力波的存在,說明引力可以被量子化,“引力子”(Graviton)正是引力場被量子化之後的產物,人們也許可以在時間的開端尋找結合這兩種分別描述微觀與巨集觀現象的理論的結合點。

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