爱因斯坦称之为“时空涟漪”力证宇宙暴涨

 

美国哈佛-;史密森天体物理学中心等机构组成的联合研究团队在北京时间3月18日宣布，他们发现了被爱因斯坦称之为"时空涟漪"的宇宙原初引力波存在的直接证据，进而可以有力证明暴涨理论的可靠性。早在几年前，就有科学家预言，由于宇宙大爆炸产生的引力波可能会作用于宇宙微波背景，并且留下暴涨的证据。因此，无论是谁探测到了它，几乎可以拿到诺贝尔奖。这也就不难理解，为何此次BICEP2望远镜的新发现能令整个宇宙学界为之振奋。

暴涨"拯救"大爆炸理论

事实上，真正让宇宙学家们兴奋不已的，并不是观测到了引力波留下的痕迹本身，而是众多暴涨理论的支持者们终于找到了关键性证据，用来解释紧接着大爆炸之后宇宙究竟是怎样演化的。

在过去的一个多世纪里，宇宙大爆炸理论早已立稳了脚跟，几乎没有人怀疑它的可靠性。宇宙是起源于大约138亿年前的一场大爆炸，原初宇宙的直径只有10-35米，经过138亿年的膨胀，直径已有800多亿光年。然而，从无穷小的尺度到无穷大的尺度变换，如果以目前宇宙膨胀的速度来看，是不可能实现的。

美国物理学家阿兰•古斯最早提出了宇宙暴涨的假设，从大爆炸之后的10-36秒开始持续到10-33秒到10-32秒之间，宇宙空间膨胀了至少1078倍，可见这次瞬间的膨胀有多么剧烈。

不过，暴涨理论之所以能成为宇宙是如何发展到现在的状况的主导理论，理由远不止于此。

中国科学院国家天文台研究员陈学雷向《中国科学报》记者解释，大爆炸理论虽然得到广泛认可，但它并不完美。因为在原有的大爆炸理论模型下，有几个难题一直困扰着物理学家。

宇宙自其诞生后大约38万年以来便充满辐射，这种粒子背景被称作"宇宙微波背景辐射(CMB)"，在对CMB的测量中，科学家发现原始光温度几乎是均匀的。在非暴涨模型下，宇宙不同部分的温度是存在巨大差异的，只是随着时间的推移才达到均衡。然而，目前宇宙的年龄被锁定在138亿年，在宇宙学中，这个年龄实在太年轻了。因此，目前为止宇宙空间是无法达到光温度的均衡的。这被称为大爆炸理论中的视界问题。

不过，暴涨理论则能够给出一个很好的解释。所有的物质最初都从相同的地方以相同的温度开始，由于突然加速膨胀，因此不同部分之间只有微小的温度差异。

陈学雷还指出，根据基本粒子物理学的理论，宇宙从一个很高的温度下降之后，应该有大量的磁单极子，然而我们始终没有观测到它们的身影，即便存在，也可以想见它们非常稀少，这又产生了一个悖论。可同样，暴涨提供了一种说法，因为暴涨可以把原本存在磁单极子稀释掉。

此外，暴涨理论还能表明，为什么今天观测到的宇宙是近乎平直的。想象一下，宇宙就像一个被吹得无穷大的气球，它的表面看上去就像一个非常平坦的平面。甚至宇宙形成的这种内部结构也可以用暴涨理论来解释，在中山大学天文与空间科学研究院院长李淼看来，所有星系形成之前的种子来源于暴涨时期的量子涨落。那个微小到只有十万分之一的涨落后来被万有引力放大，从而出现了恒星和星系。

 

暴涨的谜团与预言

仅仅看到暴涨理论的优势，也就不存在物理学家对此的争论。事实上，暴涨理论自身还存在重要的谜团没有解开。

李淼告诉《中国科学报》记者，迄今为止，物理学家还并不确定暴涨的动力学起源究竟是什么。物理学家设想了很多理论，例如大统一论、弦论等等，但都无法得到准确的答案。李淼说，最近的实验发现，暴涨可能来自于一个很简单的模型，但越是简单就越难以解释。而美国普林斯顿大学物理学家保尔•斯坦因哈特曾经提出，暴涨存在的一个更大的问题还在于人们不知道它究竟是如何停下来的。

可既然这些问题目前还无从下手，科学家能想到的证明暴涨理论的办法，就是通过观测数据找出它曾经留下的蛛丝马迹。

据陈学雷介绍，在暴涨理论模型下，存在着几个重要的预言，首先，宇宙是平坦的;其次，暴涨理论模型所预言的原初密度扰动属于绝热扰动，并且非常接近于高斯分布;此外，高斯分布的扰动还能得到一种接近于标度不变但是又稍稍偏离标度不变的功率谱。

"尽管这些预言已经有了观测证据，但都不是证明暴涨理论存在的直接证据。"陈学雷表示，暴涨理论并不只有一种，而是存在很多变体，例如赛道暴涨、多场暴涨和超延展暴涨等等。这些模型可以都符合这些预言，但如果单独拿出一条预言，理论上也可以再构建一种暴涨模型使它不符合这条预言。

因此，物理学家把目光聚焦到了暴涨理论最重要的一条预言，那就是引力波。

早在100多年前，爱因斯坦就在广义相对论中预言了引力波的存在，但他同时指出这种现象将极其微弱，人类恐将永远也无法探测到它。

据李淼介绍，微波背景辐射就是光子，光子具有偏振性，它分为两类，一类就好像有源，比如一个电荷引起的电场，是向外发散的，也叫E模式;另一类则没有源，呈旋涡状，这也被称为B模式。而暴涨时期产生的引力波会在微波背景辐射上留下旋涡，也就是B模式的特殊偏振。因此，只要找到引力波在微波背景辐射上留下的特殊印迹，就意味着可以找到暴涨理论存在的直接证据。

陈学雷告诉《中国科学报》记者，与暴涨理论同时期的其他理论并不预言引力的存在，而最简单的暴涨则会产生较大的B模信号，且正好落在"普朗克"的可探测范围之内。

此次，研究人员在适合观测宇宙大爆炸微弱余波的南极，发现了比预期中要强烈得多的一个B模式极化信号。用三年多的时间检验这些数据，排除了其他可能的来源，证实是由引力波留下的。

不过，随即又有理论物理学家提出质疑，尚不能排除观察到的B型偏振模式的非暴涨源的可能性。对此，陈学雷认为，理论上，在已有引力波存在的证据基础上，科学家可以重新构建一个更为复杂的非暴涨理论模型，使其同样能够预言引力波的存在。但对它的证明也可能更为困难。

暴涨与多重宇宙论

暴涨理论如此吸引人，还在于物理学家在此基础上提出了"多重宇宙"的设想。

李淼介绍，暴涨是一种能量场驱动的，这个场的取值比较大，而在大场理论下通常会产生所谓的永恒暴涨，因此，容易产生多重宇宙。

按照美国斯坦福大学的物理学家安德雷•林德的说法，由于量子涨落，宇宙中的一些地方可能会比其他地方受到更强的暴涨力的作用，这就会形成一个个的凸起。但是由于暴涨巨大的作用力，这些凸起会迅速膨胀成一个新的、完整的宇宙。

陈学雷进一步解释，尽管在最初的高能状态下，宇宙适用于同一套物理定律，但由于暴涨后的宇宙温度都会逐渐下降，在低能的宇宙里，各个性质可能都不一样。因此，物理学家无法知道支配着我们这个宇宙的物理规律是否也同样适用于其他的宇宙。

不过，李淼坦言，尽管多重宇宙论者对暴涨理论证据的获得表示出了很大的兴趣，但多重宇宙依然只是一个假设，人类生存的宇宙之外的宇宙，目前还没有办法被观测到。