在 137 億年前大爆炸發生的那個時刻, 我們所居住的宇宙被壓縮到一個難以想象的小尺度上,相伴隨的是極高的溫度和極大的密度。 當宇宙年齡在38 萬年時 ,宇宙膨脹得足以讓輻射冷卻下來 ,不再與帶電粒子相互作用,空間變得透明了,輻射將自由地穿過空間飛向我們。這些微波背景輻射表明,那時的宇宙同樣是以百萬分之一的精度呈現出各向同性的。 只是后來,當宇宙的年齡為數十億年時,物質居然不均勻地聚集起來,形成了星系和星系團。 因此,宇宙學家采用了簡單假設: 宇宙是均勻與各向同性的, 而在總體的均勻與各向同性中含有微小的隨機不規則性。 盡管非均勻性很小,卻至關重要。 由于宇宙學形式的馬太效應, 那些含物質高于均值的稠密區域通過吸收稀疏區域的物質,隨著時間推移,高于均值區域演化成星系團、星系、恒星和人。
標準大爆炸理論只是說在宇宙之初有一場爆炸,而沒有告訴我們到底是什么爆炸,如何爆炸,更沒有說為何爆炸。 日常知識告訴我們,引力是一種吸引力,它使萬物彼此靠近,怎能引發爆炸呢? 所以,原初時刻一定存在著某種強大的排斥力。 這個困擾人們的問題,直到 1980 年代初得到了解答。 答案居然十分簡單,愛因斯坦關于宇宙學常數的老想法以暴漲宇宙的新形式得以復興。
暴漲宇宙學不僅彌補了標準大爆炸宇宙學中的許多漏洞,諸如解決了視界疑難、平坦性疑難與拓撲缺陷過豐等問題,并且給出了一系列預言。 隨著 BICEP2 團隊的工作以及先前的種種實驗驗證,所有這些預言都得到了確認。 除此之外,暴漲宇宙學還幫助我們理解了早期宇宙是如何獲得了它那極低的熵,這使得我們比以往任何時刻都更接近時間之箭的解釋。 暴漲宇宙學還在量子力學與廣義相對論之間建立了橋梁。
取得直接證據
量子力學的海森伯原理告訴我們,在任何量子系統中總存在著一個隨機漲落。 在暴漲宇宙學的框架中,這意味著量子場將展現出這種漲落。 這就是衛星所觀測到的輻射溫度的隨機分布數據的本源。
由于諸如光子那樣的矢量場所具有的對稱性,它們產生的漲落并未對微波背景溫度提供實質性的貢獻。 所以真正要關注的兩類量子漲落是暴漲子場和引力場的漲落。 暴漲子場是駕馭宇宙暴漲的場,它為最終轉換成物質和輻射作了主要貢獻。 換句話說,暴漲子場漲落對早期等離子密度漲落作了主要貢獻。 由于暴漲子場是標量場,它所產生的漲落,有時也稱作為標量漲落。 這在衛星探測器實驗中已經被證實。
引力場當然也有量子漲落,這些漲落產生了引力波。 引力場是一種張量場,所以引力場的漲落有時也稱作張量漲落。 在原則上,我們能探測引力波,這是因為在物體較遠處引力波會拉伸物體,當引力波通過物體時會擠壓它。 這好比在海灘上,潮水沖上沙灘時海波會卷起沙子,而當海潮退下后沙灘會留下波浪的痕跡。 宇宙空間中當然沒有沙子,只有微波背景輻射。 無處不在的輻射是否會留下引力波的痕跡呢?答案很簡單,引力波會給背景輻射留下痕跡!
為了闡明這個痕跡,我們不得不說一下極化這個概念。 任何類型的電磁輻射都有極化,微波背景輻射也不例外。 電磁波是傳播電場和磁場振蕩的漣漪, 可以指定電場上下振蕩方向來定義極化方向。
當我們觀測多個光子形成的輻射時,每個光子的極化方向是隨機的, 給出的疊加凈效應幾乎接近于零。 在我們使用白熾燈時,就是這種情形,宇宙背景輻射也幾乎是這樣。 不過,科學家們通過仔細分析能測量出微波背景輻射中的極化殘余。
但是,暴漲子場漲落與引力子場漲落都能造成背景輻射的極化。 這正是成也蕭何,敗也蕭何! 成敗皆極化,不過此極化不是彼極化。 通過仔細分析,極化存在著兩種形態:E 模極化和 B 模極化。 暴漲子漲落只造成背景輻射的 E 模極化,而引力波既會造成 E 模極化也會造成 B 模極化。
用通俗的話來說,B 模會產生一個渦旋狀的極化形態而 E 模不會。 利用這個性質,BICEP2 團隊觀測到了 B 模極化形態,并指出這是大爆炸后原初引力波的獨特印記。 他們還定量地指出張量與標量貢獻之比為 0.2。
給我們的啟迪
大爆炸引力波為人類帶來新認知,BICEP2 團隊公布這個偉大發現已經一個多星期了,但是余音繞梁,人們激動之情仍未平復,這個發現給我們帶來了眾多的啟迪。
盡管實驗物理學家確證了原初引力波的存在,但是理論家居功至偉。 最高的榮譽仍歸于愛因斯坦, 他的廣義相對論是進行這些研究的基本工具,告訴我們在引力的影響下, 宇宙將如何隨時間演化。 愛因斯坦建議的宇宙學常數,給出了排斥性引力的最簡示例。 更為重要的是,愛因斯坦預言了引力波存在,找尋引力波成了一代又一代科學家追尋的目標。 古斯是暴漲思想的始作俑者,隨后林德和史坦哈德特為完備暴漲宇宙理論也做出了重要貢獻。
科學進步的總趨勢是不可抗拒的,正如一江春水總是向東流,而水面上樹葉的運動路徑卻百轉千回。 BICEP2 團隊的發現給我們的另一個啟迪是,不同知識島之間的“滲流”是十分重要的。 粒子物理和廣義相對論的觀念系統相差甚遠,但是一旦將粒子物理中的希格斯場的觀念融入到宇宙學中,就會產生重大的創新。 這使我們相信萬物在更深層次上的相關性。
將望遠鏡指向月球就會發現月球表面坑凹的伽利略時代早就過去了。 當代科學的進步,必定需要理論的指引。 沒有理論指引下的實驗驗證,猶如瞎子摸象。 如果盲人摸到了象鼻子,倒還得到了大象的部分特征,可怕的是盲人騎瞎馬摸到的僅僅是大象背上的土。 對理論物理學家的任何漠視,最終會釀成一壇發酸的苦酒。
科學的進步,創新思想是關鍵。 科學的成功常常在于 B 模這樣的另辟蹊徑,別出心裁。 低水平的重復與簡單的線性放大長期困擾著我國科學界。 發現歐姆定律是偉大的,重復驗證歐姆定律是初中生的玩意兒。
為什么 BICEP2 團隊找到了原初引力波, 而普朗克探測器沒有發現? 后者的經費投入遠高于前者,這說明重大發現并不與科研投入成正比。 諾貝爾獎并不能與培養體育明星那樣選苗,行政行為無法設定誰將取得劃時代的成果。 科學家之所以投入研究,絕對不是為了取得金錢。 重賞之下,并不出智夫。 如果將科研人員的收入差異盲目擴大,必將破壞團隊的和諧,帶來嚴重的后果。
BICEP2 團隊的論文由 47 位作者署名, 而團隊的負責人科瓦奇位列 27 位, 但是某報想當然地依照我國的行政慣例稱科瓦奇為第一作者。 我國科技團隊為了文章署名,常常鬧得不亦樂乎,甚至導致同事反目,團隊散伙。 這種莫名其妙的行政規定給科研造成的損失還少嗎?
科學的進步,是從未知到達已知,未知之樹上仍然掛滿了金蘋果,只有對未知世界充滿好奇的人才會得到它。
