科学家通过架设在南极的天文望远镜BICEP2 发现了极早期宇宙产生的原初引力波的痕迹。 （南方周末资料图）

　　科学家在微波背景辐射中找到了极早期宇宙产生的原初引力波的痕迹。如果说微波背景辐射是宇宙大爆炸的回声，那么这种痕迹便是暴涨的回声。这一次，科学家证实了大爆炸中的爆炸，因为他们捕捉到了回声中的回声。

　　2014年3月18日凌晨（北京时间），哈佛大学史密松天体物理中心的约翰·科瓦奇（John Kovac）博士宣布，他所领导的射电天文学团队发现了来自宇宙大爆炸的引力波证据。科瓦奇的团队从隐藏在宇宙微波背景辐射（CMB）中的信息获得了这一结果。他们使用的是一台架设在南极的天文望远镜BICEP2。

　　科瓦奇团队对微波背景辐射中的偏振信号（像光线中存在偏振现象一样）进行了研究，他们得到一张独特的偏振图，形状就像撒在平面上的铁粉在磁场的影响下略微呈现出涡旋状的形态。科学家认为，这是极早期宇宙在快速膨胀（即暴涨）中产生的引力波扩散的证据。

　　剑桥大学物理学博士苗千曾经以李白的诗句“烟涛微茫信难求”来比喻引力波观测实验的困难程度，在哈佛大学史密松天体物理中心的发布会之后，李白的另一句诗“云霓明灭或可睹”则成为科学家信心大增的最贴切写照。

　　相对论的副产品

　　在牛顿的万有引力定律中，引力波并没有立足之地。1915年爱因斯坦提出广义相对论之后，引力波——这种时空框架本身的扰动——才成为“合法”的科学名词。爱因斯坦的理论抛弃了牛顿的绝对时空观，代以一种富有弹性、变化多端的时空结构。如果你把宇宙时空看作一组弹性材料搭建的巨型脚手架，任何物质和能量都可以将它附近的脚手架压弯变形。如果这种变形来得剧烈而突然，你就会看到形变像地震波一样朝着四面八方传遍整个脚手架，这就是引力波，它的传播速度等于光速。

　　就像爱因斯坦对宇宙膨胀和黑洞持保守态度一样，他最初对引力波也是坚决反对。1936年，爱因斯坦和他的年轻助手罗森发现了广义相对论方程组一个圆柱形的宇宙解。这种宇宙不代表我们真实的宇宙，仅仅用于研究广义相对论的特性。他们发现，虽然这种宇宙中空无一物，但却充满了时空几何的涟漪。起初他们错误地认为，这种涟漪不过是选择坐标系时人为产生的数学幻象。这就好比你在一张平展的白纸上画上一条条弯曲的网格，从远处看，白纸像是产生了凸起和凹陷，但这并不能说明白纸真的发生了形变。

　　爱因斯坦和罗森把论文提交给美国期刊《物理评论》，没过多久，他们就收到了匿名审稿人的拒信，因为审稿人认为引力波是真实存在的。由于当时的欧洲并不流行这种审稿机制，爱因斯坦十分沮丧，还回信给期刊编辑说：“我认为没有必要回应您那位匿名专家的意见（本来就是错误的）。鉴于此，我宁愿选择在别的地方发表这篇文章。”幸好，爱因斯坦不久之后就被这位匿名审稿人——美国物理学家罗伯特逊说服了，并赶在论文在“别的地方”发表前做了修改，还诚实地感谢了他的“同行罗伯特逊教授在澄清原文中的错误时给予的亲切帮助”。

　　并非数学幻象

　　1957年，美国物理学家费曼就引力波的真实性给出了一种直观解释：如果引力波沿着垂直方向经过一根粗糙的棍子，附着在棍子表面的水珠（由于存在摩擦力，它们叫作“粘性水珠”）就会前后移动。水珠移动时会摩擦生热，温度就会升高。这说明引力波就是热源，因而必然携带能量。所以，引力波并不是数学幻象。

　　费曼的解释是直接探测引力波的一种标准方法。当引力波以一定方向经过架设好的引力波天线时，天线的长度就会发生些许改变。但是引力比电磁力微弱得多。想象一下，你上楼梯的时候可以利用电磁力（肌肉的生化反应）轻松抵抗整个地球施加在你身上的引力。如果想要用现有的技术直接探测引力波，我们必须期待宇宙中的中子星或黑洞发生剧烈碰撞。即便如此，引力波经过长途跋涉传播到地球上之后，也只能让数千米天线的长度发生相当于原子直径的一亿分之一的改变。与周围的噪声相比，这种信号太小了。物理学家从未以这种方式直接观测到引力波，正所谓“烟涛微茫信难求”。

　　2003年，为了精确检验爱因斯坦的广义相对论，澳大利亚帕克斯天文台的射电天文学家博盖对大犬座的一对双脉冲星做了细致研究。这两颗距离地球两千多光年之外的脉冲星像海岸的灯塔一样有规律地向空中发射电磁波，它们相距90万千米，每145分钟就绕对方转一圈。两个大质量高密度天体的高速旋转以极大的力量搅动周围的时空框架，应该会持续不断地发出引力波。博盖并未直接用天线观测到其中的引力波，但她发现，两颗脉冲星以每天7毫米的速度相互靠拢。这是因为引力波带走能量之后，两个天体在各自的引力作用下相互跌落。天文学家就是以这种方式间接检验了爱因斯坦的引力波。

　　除了大质量天体产生的剧烈扰动之外，宇宙在诞生之初也会产生一种引力波，这就是史密松中心探测到的原初引力波。原初引力波的提出基于一系列观测结果和理论假设，有点儿像名侦探柯南在证据不充分时对案件做出的缜密推理。我们知道，哈勃在1929年时利用星系红移的数据发现宇宙正在膨胀。反过来想，早期的宇宙必然比现在体积更小，温度和密度更高，它会像太阳表面一样发出夺目光芒。随着宇宙后来的膨胀，这种无处不在的光芒被迅速稀释，波长也被拉伸到了微波波段，这就是1964年发现的微波背景辐射。正是这个发现第一次证明了宇宙始于一场“大爆炸”。

　　暴涨

　　微波背景辐射的波谱可以画成一条能量分布曲线，这是宇宙中最完美的一条曲线，就像你闭上眼睛随手一画，就在黑板上画出一条完美的正圆来。这种情况太罕见，太不可思议了，许多物理学家相信如果不是某种力量有意为之，那么一定有一种物理机制可以做出解释。1980年代初，当时还在读博士后的阿伦·古斯提出，这条曲线在最初的一刻可以是不完美的，但是在宇宙极早期（10的负33次方秒之内）的一场超快速膨胀将其中的不完美迅速稀释掉了，所以才留下一条表面上看来十分完美的曲线。如果你能够放大曲线的局部，就会在其中看到十万分之一级别的细微不完美。果然，1990年代发射升空的COBE卫星在微波背景辐射中发现了这种不完美，正是宇宙中存在不完美的地方，才使得原始的云气可以凝聚成星系和恒星，才有现在的人类。

　　古斯以当时最流行的经济现象通货膨胀命名了他的理论，我们现在称为暴涨（二者的英文都是“inflation”）。暴涨是一场比大爆炸更为离奇的爆炸，它的持续时间极为短暂，只有不到10的负33次方秒，却至少可以将宇宙中的任何一处空间放大10的60次方倍。原先如一个分子大小的空间会变得像银河系一样广阔，而原先如豌豆大小的空间会变得比我们现在所能观测到的宇宙还要浩渺。

　　原初引力波

　　因此，在宇宙极早期，原本在极微小的尺度上起伏不定的引力场涨落随着暴涨在一瞬间被放大到宏观尺度，这就是原初引力波。原初引力波搅动了时空中的物质，微波背景辐射产生时，物质又搅动了其中的光子，使之拥有一种特殊的分布模式。如果说微波背景辐射是大爆炸的回声，那么这种特殊的分布模式便是暴涨的回声。科学家证实了大爆炸中的爆炸，因为他们捕捉到了回声中的回声。

　　由于这个推理过程涉及了引力波、暴涨机制和量子引力等诸多待定理论或现象，史密松中心的发现大大鼓舞了物理学家，尤其是理论物理学家的信心。这个发现比探测脉冲星轨道变化更为直接，进一步说明引力波是真实存在的；这个发现第一次找到了暴涨机制的直接证据，排除了一批试图绕过暴涨机制来解释微波背景辐射波谱的替代理论；这个发现给出了暴涨模型应该具备的具体特征，为将来新模型的建立提供了依据。

　　这个发现还说明，科学家将广义相对论与量子力学结合起来的努力是合理的，量子引力是一个正确的研究方向。有理由相信，随着数据的进一步积累，人类对于宇宙极早期的认识会越来越丰富。或许有一天，一个终极理论开始显现，正如天姥山的“云霓明灭或可睹”。

　　（作者系物理学博士）

　　作者：李剑龙