科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)宇宙暴漲直接證據(jù) 被稱諾獎(jiǎng)級(jí)成果

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       仰望浩渺的星空，人們總是不由要問(wèn)：宇宙從何而來(lái)？美國(guó)科學(xué)家17日宣布，他們發(fā)現(xiàn)了原初引力波穿越嬰兒宇宙留下的印記，這是宇宙剛剛誕生時(shí)急劇膨脹的首個(gè)直接證據(jù)。

　　美國(guó)航空航天局(NASA)稱，這是迄今為止，證明宇宙膨脹理論最有力的證據(jù)。這一突破性的重大發(fā)現(xiàn)有望幫助弄清宇宙誕生之謎，被認(rèn)為是諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)別的重大成果。

　　測(cè)到比“預(yù)想強(qiáng)烈得多”的信號(hào)

　　科學(xué)界目前普遍認(rèn)為，宇宙誕生于距今約140億年前的一次“大爆炸”。在大爆炸之后不到1秒鐘的原初時(shí)刻，宇宙曾在極短時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷了速度快到無(wú)法想象的急劇膨脹，這一過(guò)程稱為“暴漲”。

　　為驗(yàn)證暴漲理論，美國(guó)哈佛-史密森天體物理學(xué)中心等機(jī)構(gòu)研究人員利用位于南極的BICEP2望遠(yuǎn)鏡，對(duì)宇宙大爆炸的“余燼”——微波背景輻射進(jìn)行觀測(cè)。宇宙微波背景輻射(CMB)是宇宙在大爆炸之后38萬(wàn)年時(shí)散落在宇宙空間中的微弱電磁波，當(dāng)時(shí)輻射首次得以自由穿過(guò)空間，而引力波則是在宇宙大爆炸之后一瞬間便出現(xiàn)，并被疊加在CMB的信號(hào)之中。微波背景輻射如同埋藏在宇宙深處的“化石”，記錄著早期宇宙的許多信息，最早在1964年由兩位美國(guó)科學(xué)家通過(guò)一臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，自那之后便被稱作是“大爆炸的回聲”。

　　微波背景輻射中的微波因?yàn)楸辉雍碗娮由⑸涠哂衅裥?，新研究尋找的是一種叫做B模式的特殊偏振模式，其特點(diǎn)是會(huì)形成旋渦，是宇宙極早期的一種時(shí)空波動(dòng)——原初引力波留下的獨(dú)特印記，其他形式的擾動(dòng)，都產(chǎn)生不了這種B模式偏振。

　　南極是地球上觀測(cè)微波背景輻射的最佳地點(diǎn)之一。研究人員說(shuō)，他們意外發(fā)現(xiàn)了比“預(yù)想的強(qiáng)烈得多”的B模式偏振信號(hào)。研究共同作者、明尼蘇達(dá)大學(xué)的克萊姆·普賴克說(shuō)：“這就好像要在草堆里找一根針，結(jié)果我們找到了一根鐵撬棍。”

　　隨后經(jīng)過(guò)三年多分析，排除了其他可能的來(lái)源，確認(rèn)它就是暴漲期間原初引力波穿越宇宙導(dǎo)致的。這意味著宇宙暴漲理論獲得迄今最有力的證據(jù)，并將幫助人們更詳細(xì)地了解暴漲的過(guò)程。

　　填補(bǔ)廣義相對(duì)論最后一塊拼圖

　　愛(ài)因斯坦于1916年提出的廣義相對(duì)論預(yù)言了原初引力波的存在。雖然過(guò)去十多年中，有多個(gè)研究項(xiàng)目在探測(cè)原初引力波，包括普朗克衛(wèi)星、POLARBEAR地面實(shí)驗(yàn)，及位于南極的另一個(gè)“南極望遠(yuǎn)鏡”實(shí)驗(yàn)等，其中普朗克衛(wèi)星是歐洲航天局于2009年5月發(fā)射、造價(jià)約7億歐元的全天域微波背景輻射觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡，但科學(xué)界此前一直沒(méi)有找到這種波存在的證據(jù)。新發(fā)現(xiàn)不僅填補(bǔ)了廣義相對(duì)論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中最后一塊缺失的拼圖，讓現(xiàn)代物理學(xué)的根基更加堅(jiān)實(shí)，也會(huì)鼓舞引力波研究人員的士氣，促進(jìn)有關(guān)國(guó)家進(jìn)一步加大投入。

　　哈佛-史密森天體物理學(xué)中心的理論物理學(xué)家阿維·洛布說(shuō)：“這項(xiàng)工作為一些最基本的問(wèn)題提供了新見(jiàn)解：我們?yōu)槭裁磿?huì)存在？宇宙是怎么誕生的？這些結(jié)果不僅是宇宙暴漲的確鑿證據(jù)，它們也告訴我們暴漲是什么時(shí)候發(fā)生的，暴漲的威力又有多大。”

　　一些物理學(xué)家認(rèn)為，這是一項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)別的發(fā)現(xiàn)。美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)理論物理學(xué)家勞倫斯·克勞斯在接受新華社記者采訪時(shí)說(shuō)，雖然這項(xiàng)成果還需要得到進(jìn)一步驗(yàn)證，但“無(wú)論怎樣，都令人激動(dòng)”。如被證實(shí)，將“可以躋身過(guò)去25年最重要的宇宙學(xué)發(fā)現(xiàn)之列”，有望獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

　　NASA表示，這一發(fā)現(xiàn)不僅有助于證實(shí)宇宙瞬間膨脹，還能夠?yàn)槔碚搶W(xué)家提供關(guān)于分離時(shí)間和空間的力量的首個(gè)證據(jù)。

　　觀察

　　原初引力波發(fā)現(xiàn)的四大意義

　　首先，這一發(fā)現(xiàn)填補(bǔ)了廣義相對(duì)論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的最后一塊缺失的拼圖。

　　愛(ài)因斯坦1916年發(fā)表的廣義相對(duì)論預(yù)言了宇宙誕生之初產(chǎn)生的一種時(shí)空波動(dòng)——原初引力波——的存在。過(guò)去近百年中，廣義相對(duì)論的其他預(yù)言如光線的彎曲、水星的近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)以及引力紅移效應(yīng)都已獲證實(shí)，唯有原初引力波因信號(hào)極其微弱，技術(shù)上很難測(cè)量，而一直徘徊在天文學(xué)家“視線”之外。劍橋大學(xué)博士、加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的“CITA國(guó)家研究員”馬寅哲認(rèn)為，原初引力波的發(fā)現(xiàn)是支持廣義相對(duì)論的又一有力證據(jù)，相對(duì)論所預(yù)言的所有實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象全部被驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)與理論符合得都很好。

　　其次，這一發(fā)現(xiàn)打開(kāi)了觀測(cè)宇宙的一扇新窗戶。

　　在天文學(xué)幾百年來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，人們觀測(cè)宇宙的主要手段是觀測(cè)光，也就是說(shuō)幾乎所有天文實(shí)驗(yàn)都是在收集光子。而根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)宇宙大爆炸理論，大爆炸之后約40萬(wàn)年，光子、電子及其他粒子混在一起，宇宙處于晦暗的迷霧狀態(tài)，光無(wú)法穿透。而引力波則不同，它誕生在宇宙大爆炸之初并以光速傳播。從事引力波研究多年的美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)理論物理學(xué)家勞倫斯·克勞斯認(rèn)為，引力波被測(cè)量到，意味著人們可以通過(guò)引力波而一直追溯到大爆炸之后僅僅10的負(fù)35方秒的極早時(shí)期，同時(shí)引力波也可以作為另一種觀測(cè)宇宙的手段。引力波天文學(xué)這門新學(xué)科的大門也由此打開(kāi)。

　　第三，這一發(fā)現(xiàn)有助于真正理解宇宙大爆炸原初時(shí)刻的物理過(guò)程。

　　根據(jù)上世紀(jì)80年代逐漸發(fā)展起來(lái)的暴漲理論，140億年前，在大爆炸之后不到10的負(fù)35方秒的時(shí)間里，宇宙以指數(shù)速度急劇膨脹，即所謂“暴漲過(guò)程”。原初引力波忠實(shí)記錄了暴漲時(shí)期的物理過(guò)程。馬寅哲告訴記者，現(xiàn)在關(guān)于大爆炸原初時(shí)刻的理論模型有數(shù)百個(gè)，但“到底哪個(gè)對(duì)，還是都不對(duì)，在今天之前是不清楚的。但如果(美國(guó)科學(xué)家的)結(jié)果是真的，那么很多理論模型會(huì)被排除”。

　　第四，這一發(fā)現(xiàn)意味著對(duì)宇宙微波背景輻射的測(cè)量將會(huì)進(jìn)入下一個(gè)重要里程碑。

　　宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸的“余燼”，是一種彌漫在整個(gè)宇宙空間中的微弱電磁波信號(hào)。過(guò)去幾十年中，人們測(cè)量微波背景輻射，其實(shí)主要測(cè)量的是溫度場(chǎng)的信息，卻一直沒(méi)有測(cè)量到引力波的獨(dú)特印記——B模式偏振。目前，全球多個(gè)小組在探測(cè)引力波，新發(fā)現(xiàn)無(wú)疑將極大鼓舞他們的士氣，并促進(jìn)有關(guān)國(guó)家進(jìn)一步加大科研經(jīng)費(fèi)和人力資源投入。

　　馬寅哲表示：“此項(xiàng)工作若獲證實(shí)，當(dāng)之無(wú)愧是諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的工作。而且在此之后，關(guān)于引力波的諾貝爾獎(jiǎng)可能還會(huì)再出現(xiàn)。宇宙‘暴漲’理論的提出者也可能獲獎(jiǎng)。”

       名詞解釋

　　引力波

　　原初引力波是愛(ài)因斯坦于1916年發(fā)表的廣義相對(duì)論中提出的，它是宇宙誕生之初產(chǎn)生的一種時(shí)空波動(dòng)，隨著宇宙的演化而被削弱?？茖W(xué)家說(shuō)，原初引力波如同創(chuàng)世紀(jì)大爆炸的“余響”，它的發(fā)現(xiàn)可以讓科學(xué)家第一次“看到”宇宙是怎樣形成的，從而揭開(kāi)宇宙誕生之謎。

　　然而，廣義相對(duì)論提出近百年來(lái)，源于它的其他重要預(yù)言都被一一被證實(shí)，而引力波卻始終未被直接探測(cè)到，問(wèn)題就在于其信號(hào)極其微弱——波動(dòng)的幅度遠(yuǎn)小于一顆原子的100萬(wàn)倍——技術(shù)上很難測(cè)量，因此也有人將之戲稱為“世紀(jì)懸案”、“宇宙中最大的徒勞無(wú)益之事”。

　　盡管直到今天，神秘的引力波才向人們一展真面目，但在此之前人們已經(jīng)間接觀測(cè)到它的存在。1974年，美國(guó)物理學(xué)家喬瑟夫·泰勒和拉塞爾·赫爾斯首次發(fā)現(xiàn)一個(gè)雙星系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，兩顆中子星親密環(huán)繞并變得越來(lái)越接近，這意味著兩顆星正在損失能量。由于其軌道變化與相對(duì)論的預(yù)測(cè)完全吻合，兩名科學(xué)家認(rèn)為能量正在以引力波的形式釋放，這一發(fā)現(xiàn)讓他們獲得了1993年的諾貝爾獎(jiǎng)。

　　值得指出的是，此次所觀測(cè)到的是所謂“原初引力波”，這是宇宙誕生時(shí)刻發(fā)出的引力波痕跡，它隱藏著有關(guān)宇宙如何形成的關(guān)鍵信息。

　　BICEP2望遠(yuǎn)鏡建在南極的阿蒙森-斯科特考察站。這里是南極冰蓋之上，海拔超過(guò)2800米，因此這里的大氣很稀薄。同樣，這里的空氣也很干燥，這些都是很有利的條件，因?yàn)樗麜?huì)阻擋微波的傳播。另外，南極洲幾乎無(wú)人居住，因此來(lái)自手機(jī)通訊、電視機(jī)以及其他電子設(shè)備的干擾相對(duì)要小得多。

　　廣義相對(duì)論

　　1916年，德國(guó)物理學(xué)家愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)了一種數(shù)學(xué)的方法來(lái)解釋引力的本質(zhì)，他將其稱之為“廣義相對(duì)論”，它代表了現(xiàn)代物理學(xué)中引力理論研究的最高水平。這一理論依靠一系列的坐標(biāo)系統(tǒng)，將時(shí)間與空間結(jié)合在一起進(jìn)行描述，即所謂的“時(shí)空”概念。

　　物質(zhì)和能量會(huì)造成時(shí)空的擾動(dòng)，就像是重物壓在床墊上會(huì)凹陷一樣。正是這種時(shí)空的擾動(dòng)或扭曲產(chǎn)生了引力，而引力波正是時(shí)空中的漣漪。

　　廣義相對(duì)論的預(yù)言至今為止已經(jīng)通過(guò)了所有觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證——雖說(shuō)廣義相對(duì)論并非當(dāng)今描述引力的唯一理論，它卻是能夠與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符合的最簡(jiǎn)潔的理論。

　　廣義相對(duì)論并非完全是難以理解的數(shù)學(xué)。它擁有深遠(yuǎn)的實(shí)際應(yīng)用意義，比如它告訴我們引力如何對(duì)時(shí)間造成影響，而這對(duì)于現(xiàn)代的衛(wèi)星導(dǎo)航定位就十分關(guān)鍵。

　　宇宙

　　大爆炸與暴漲

　　宇宙大爆炸理論是現(xiàn)代宇宙學(xué)中最有影響的一種學(xué)說(shuō)，其主要觀點(diǎn)是認(rèn)為宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個(gè)時(shí)期里，宇宙體系在不斷地膨脹，使物質(zhì)密度從密到稀地演化，如同一次規(guī)模巨大的爆炸。

　　宇宙大爆炸理論最初是由比利時(shí)牧師兼物理學(xué)家喬治·勒梅特1932年提出的。他將其稱為是“沒(méi)有昨天的一天”，因?yàn)槟鞘菚r(shí)間和空間的開(kāi)端。

　　1946年美國(guó)物理學(xué)家伽莫夫正式提出大爆炸理論，他認(rèn)為我們所觀測(cè)到的宇宙始于140億年以前的一次大爆炸。爆炸之初，物質(zhì)只能以中子、質(zhì)子、電子、光子和中微子等基本粒子形態(tài)存在。宇宙爆炸之后的不斷膨脹，導(dǎo)致溫度和密度很快下降。隨著溫度降低、冷卻，逐步形成原子、原子核、分子，并復(fù)合成為通常的氣體。氣體逐漸凝聚成星云，星云進(jìn)一步形成各種各樣的恒星和星系，最終形成我們現(xiàn)在所看到的宇宙。

　　但大爆炸理論并非與所有天文觀測(cè)結(jié)果相吻合。宇宙中物質(zhì)的分布太過(guò)均勻，以至于難以用原先認(rèn)為的大爆炸理論進(jìn)行解釋。于是在上世紀(jì)70年代，宇宙學(xué)家們提出宇宙在大爆炸之后的短暫時(shí)期曾經(jīng)經(jīng)歷一段急劇快速膨脹的階段，這就是暴漲，它被認(rèn)為發(fā)生在宇宙大爆炸之后的一瞬間，時(shí)空的暴漲造就了宇宙的開(kāi)端——在不到10的負(fù)35方秒的時(shí)間里，宇宙以指數(shù)方式迅速膨脹。只有暴漲才能將原初引力波放大到足以被檢測(cè)到的水平。因此如果能夠探測(cè)到原初引力波，那么這就意味著暴漲必定確實(shí)發(fā)生過(guò)。