2014年3月17日,哈佛大学史密森天体物理中心宣布,科学家通过南极宇宙河外偏振背景成像(BICEP2)望远镜探测到了原初引力波存在的证据。如果得到确认,其意义不仅在于揭示宇宙大爆炸最初时刻的物理过程、有助于建立一个精确的暴涨理论,还将带来量子力学和广义相对论的进一步融合。关心宇宙学的读者对此也许并不感到意外,《Nature》和《Science》在今年的年度展望中都认为引力波证据值得期待,意外的是他们都看好欧空局的普朗克团队,而不是南极望远镜项目。
现代宇宙学仅有百年的历史。爱因斯坦1917年在广义相对论的基础上,提出了静态宇宙模型。经过弗里德曼和哈勃等人的努力,现代宇宙学基本框架――膨胀宇宙模型得以诞生。基于这一框架中宇宙必然在时间上有个起点的推断,伽莫夫于1948年提出了宇宙大爆炸理论,给出了宇宙演化的时间表及其物理过程,实验科学家也一直在进行验证,比如宇宙微波背景(CMB)的发现和黑体谱的精确观测。1981年,艾伦·古斯借助量子力学设想了著名的暴涨宇宙模型,对大爆炸理论进行了微调,却解决了诸多疑难问题。
宇宙学致力于利用天体带来的信息研究宇宙的整体行为。而CMB正是大爆炸留下的密码,其中蕴含着丰富的宇宙信息。根据爱因斯坦“来自大质量天体引力的相互作用会在时空中产生引力波,并向外扩散”的论述,暴涨模型预言了原初张量扰动,也就是大爆炸瞬间激发的引力波的影响会使CMB产生偏振。南极望远镜项目和普朗克项目都把精确测量原初张量扰动作为重要的科学目标,希望以此检验暴涨宇宙模型,同时阐明早期宇宙中加速器难以企及的能量下究竟发生了什么。
南极是地球上观测CMB的最佳地点之一,BICEP2研究团队先于普朗克和其他团队在这里发现了原初引力波留下的比预想中强烈得多的B模式偏振信号,也应在意料之中。BICEP2团队负责人科瓦奇把实验成果归功于测量微波背景辐射极化技术的发展。相比于普朗克2007年发射升空,南极望远镜由参与研发普朗克探测器的杰米·博克团队建造,并得到了升级。人们也期待着普朗克数据的极化结果对此进行验证。
宇宙学家们正忙着清点为数众多的宇宙模型,引力波证据将对此重新洗牌。暴涨理论的奠基人古斯和林德认为“混沌暴涨”与观测结果更相符,在一个不断扩展的多元宇宙中,诞生着一些更小的“口袋宇宙”,我们就生活在一个这样的口袋里,宇宙继续扩大,直到变得黑暗和寒冷。而其他的口袋仍将经历这样的诞生、膨胀和成长过程,产生恒星、行星,也许还有迅速并越来越快增长的生命形式。古斯说,宇宙生命作为一个整体的未来会是非常好的。