科学家首次发现宇宙暴涨直接证据 被称诺奖级成果

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       仰望浩渺的星空，人们总是不由要问：宇宙从何而来？美国科学家17日宣布，他们发现了原初引力波穿越婴儿宇宙留下的印记，这是宇宙刚刚诞生时急剧膨胀的首个直接证据。

　　美国航空航天局(NASA)称，这是迄今为止，证明宇宙膨胀理论最有力的证据。这一突破性的重大发现有望帮助弄清宇宙诞生之谜，被认为是诺贝尔奖级别的重大成果。

　　测到比“预想强烈得多”的信号

　　科学界目前普遍认为，宇宙诞生于距今约140亿年前的一次“大爆炸”。在大爆炸之后不到1秒钟的原初时刻，宇宙曾在极短时间内经历了速度快到无法想象的急剧膨胀，这一过程称为“暴涨”。

　　为验证暴涨理论，美国哈佛-史密森天体物理学中心等机构研究人员利用位于南极的BICEP2望远镜，对宇宙大爆炸的“余烬”——微波背景辐射进行观测。宇宙微波背景辐射(CMB)是宇宙在大爆炸之后38万年时散落在宇宙空间中的微弱电磁波，当时辐射首次得以自由穿过空间，而引力波则是在宇宙大爆炸之后一瞬间便出现，并被叠加在CMB的信号之中。微波背景辐射如同埋藏在宇宙深处的“化石”，记录着早期宇宙的许多信息，最早在1964年由两位美国科学家通过一台射电望远镜发现，自那之后便被称作是“大爆炸的回声”。

　　微波背景辐射中的微波因为被原子和电子散射而具有偏振性，新研究寻找的是一种叫做B模式的特殊偏振模式，其特点是会形成旋涡，是宇宙极早期的一种时空波动——原初引力波留下的独特印记，其他形式的扰动，都产生不了这种B模式偏振。

　　南极是地球上观测微波背景辐射的最佳地点之一。研究人员说，他们意外发现了比“预想的强烈得多”的B模式偏振信号。研究共同作者、明尼苏达大学的克莱姆·普赖克说：“这就好像要在草堆里找一根针，结果我们找到了一根铁撬棍。”

　　随后经过三年多分析，排除了其他可能的来源，确认它就是暴涨期间原初引力波穿越宇宙导致的。这意味着宇宙暴涨理论获得迄今最有力的证据，并将帮助人们更详细地了解暴涨的过程。

　　填补广义相对论最后一块拼图

　　爱因斯坦于1916年提出的广义相对论预言了原初引力波的存在。虽然过去十多年中，有多个研究项目在探测原初引力波，包括普朗克卫星、POLARBEAR地面实验，及位于南极的另一个“南极望远镜”实验等，其中普朗克卫星是欧洲航天局于2009年5月发射、造价约7亿欧元的全天域微波背景辐射观测望远镜，但科学界此前一直没有找到这种波存在的证据。新发现不仅填补了广义相对论实验验证中最后一块缺失的拼图，让现代物理学的根基更加坚实，也会鼓舞引力波研究人员的士气，促进有关国家进一步加大投入。

　　哈佛-史密森天体物理学中心的理论物理学家阿维·洛布说：“这项工作为一些最基本的问题提供了新见解：我们为什么会存在？宇宙是怎么诞生的？这些结果不仅是宇宙暴涨的确凿证据，它们也告诉我们暴涨是什么时候发生的，暴涨的威力又有多大。”

　　一些物理学家认为，这是一项诺贝尔奖级别的发现。美国亚利桑那州立大学理论物理学家劳伦斯·克劳斯在接受新华社记者采访时说，虽然这项成果还需要得到进一步验证，但“无论怎样，都令人激动”。如被证实，将“可以跻身过去25年最重要的宇宙学发现之列”，有望获得诺贝尔奖。

　　NASA表示，这一发现不仅有助于证实宇宙瞬间膨胀，还能够为理论学家提供关于分离时间和空间的力量的首个证据。

　　观察

　　原初引力波发现的四大意义

　　首先，这一发现填补了广义相对论实验验证的最后一块缺失的拼图。

　　爱因斯坦1916年发表的广义相对论预言了宇宙诞生之初产生的一种时空波动——原初引力波——的存在。过去近百年中，广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星的近日点进动以及引力红移效应都已获证实，唯有原初引力波因信号极其微弱，技术上很难测量，而一直徘徊在天文学家“视线”之外。剑桥大学博士、加拿大不列颠哥伦比亚大学的“CITA国家研究员”马寅哲认为，原初引力波的发现是支持广义相对论的又一有力证据，相对论所预言的所有实验现象全部被验证，实验与理论符合得都很好。

　　其次，这一发现打开了观测宇宙的一扇新窗户。

　　在天文学几百年来的发展过程中，人们观测宇宙的主要手段是观测光，也就是说几乎所有天文实验都是在收集光子。而根据标准宇宙大爆炸理论，大爆炸之后约40万年，光子、电子及其他粒子混在一起，宇宙处于晦暗的迷雾状态，光无法穿透。而引力波则不同，它诞生在宇宙大爆炸之初并以光速传播。从事引力波研究多年的美国亚利桑那州立大学理论物理学家劳伦斯·克劳斯认为，引力波被测量到，意味着人们可以通过引力波而一直追溯到大爆炸之后仅仅10的负35方秒的极早时期，同时引力波也可以作为另一种观测宇宙的手段。引力波天文学这门新学科的大门也由此打开。

　　第三，这一发现有助于真正理解宇宙大爆炸原初时刻的物理过程。

　　根据上世纪80年代逐渐发展起来的暴涨理论，140亿年前，在大爆炸之后不到10的负35方秒的时间里，宇宙以指数速度急剧膨胀，即所谓“暴涨过程”。原初引力波忠实记录了暴涨时期的物理过程。马寅哲告诉记者，现在关于大爆炸原初时刻的理论模型有数百个，但“到底哪个对，还是都不对，在今天之前是不清楚的。但如果(美国科学家的)结果是真的，那么很多理论模型会被排除”。

　　第四，这一发现意味着对宇宙微波背景辐射的测量将会进入下一个重要里程碑。

　　宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸的“余烬”，是一种弥漫在整个宇宙空间中的微弱电磁波信号。过去几十年中，人们测量微波背景辐射，其实主要测量的是温度场的信息，却一直没有测量到引力波的独特印记——B模式偏振。目前，全球多个小组在探测引力波，新发现无疑将极大鼓舞他们的士气，并促进有关国家进一步加大科研经费和人力资源投入。

　　马寅哲表示：“此项工作若获证实，当之无愧是诺贝尔奖级的工作。而且在此之后，关于引力波的诺贝尔奖可能还会再出现。宇宙‘暴涨’理论的提出者也可能获奖。”

       名词解释

　　引力波

　　原初引力波是爱因斯坦于1916年发表的广义相对论中提出的，它是宇宙诞生之初产生的一种时空波动，随着宇宙的演化而被削弱。科学家说，原初引力波如同创世纪大爆炸的“余响”，它的发现可以让科学家第一次“看到”宇宙是怎样形成的，从而揭开宇宙诞生之谜。

　　然而，广义相对论提出近百年来，源于它的其他重要预言都被一一被证实，而引力波却始终未被直接探测到，问题就在于其信号极其微弱——波动的幅度远小于一颗原子的100万倍——技术上很难测量，因此也有人将之戏称为“世纪悬案”、“宇宙中最大的徒劳无益之事”。

　　尽管直到今天，神秘的引力波才向人们一展真面目，但在此之前人们已经间接观测到它的存在。1974年，美国物理学家乔瑟夫·泰勒和拉塞尔·赫尔斯首次发现一个双星系统。在这个系统中，两颗中子星亲密环绕并变得越来越接近，这意味着两颗星正在损失能量。由于其轨道变化与相对论的预测完全吻合，两名科学家认为能量正在以引力波的形式释放，这一发现让他们获得了1993年的诺贝尔奖。

　　值得指出的是，此次所观测到的是所谓“原初引力波”，这是宇宙诞生时刻发出的引力波痕迹，它隐藏着有关宇宙如何形成的关键信息。

　　BICEP2望远镜建在南极的阿蒙森-斯科特考察站。这里是南极冰盖之上，海拔超过2800米，因此这里的大气很稀薄。同样，这里的空气也很干燥，这些都是很有利的条件，因为水汽会阻挡微波的传播。另外，南极洲几乎无人居住，因此来自手机通讯、电视机以及其他电子设备的干扰相对要小得多。

　　广义相对论

　　1916年，德国物理学家爱因斯坦发现了一种数学的方法来解释引力的本质，他将其称之为“广义相对论”，它代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平。这一理论依靠一系列的坐标系统，将时间与空间结合在一起进行描述，即所谓的“时空”概念。

　　物质和能量会造成时空的扰动，就像是重物压在床垫上会凹陷一样。正是这种时空的扰动或扭曲产生了引力，而引力波正是时空中的涟漪。

　　广义相对论的预言至今为止已经通过了所有观测和实验的验证——虽说广义相对论并非当今描述引力的唯一理论，它却是能够与实验数据相符合的最简洁的理论。

　　广义相对论并非完全是难以理解的数学。它拥有深远的实际应用意义，比如它告诉我们引力如何对时间造成影响，而这对于现代的卫星导航定位就十分关键。

　　宇宙

　　大爆炸与暴涨

　　宇宙大爆炸理论是现代宇宙学中最有影响的一种学说，其主要观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化，如同一次规模巨大的爆炸。

　　宇宙大爆炸理论最初是由比利时牧师兼物理学家乔治·勒梅特1932年提出的。他将其称为是“没有昨天的一天”，因为那是时间和空间的开端。

　　1946年美国物理学家伽莫夫正式提出大爆炸理论，他认为我们所观测到的宇宙始于140亿年以前的一次大爆炸。爆炸之初，物质只能以中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。宇宙爆炸之后的不断膨胀，导致温度和密度很快下降。随着温度降低、冷却，逐步形成原子、原子核、分子，并复合成为通常的气体。气体逐渐凝聚成星云，星云进一步形成各种各样的恒星和星系，最终形成我们现在所看到的宇宙。

　　但大爆炸理论并非与所有天文观测结果相吻合。宇宙中物质的分布太过均匀，以至于难以用原先认为的大爆炸理论进行解释。于是在上世纪70年代，宇宙学家们提出宇宙在大爆炸之后的短暂时期曾经经历一段急剧快速膨胀的阶段，这就是暴涨，它被认为发生在宇宙大爆炸之后的一瞬间，时空的暴涨造就了宇宙的开端——在不到10的负35方秒的时间里，宇宙以指数方式迅速膨胀。只有暴涨才能将原初引力波放大到足以被检测到的水平。因此如果能够探测到原初引力波，那么这就意味着暴涨必定确实发生过。