获取宇宙最初一刻的吉光片羽

上海师范大学天体物理中心 李新洲

解构大爆炸

在137亿年前大爆炸发生的那个时刻，我们所居住的宇宙被压缩到一个难以想象的小尺度上，相伴随的是极高的温度和极大的密度。当宇宙年龄在38万年时，宇宙膨胀得足以让辐射冷却下来，不再与带电粒子相互作用，空间变得透明了，辐射将自由地穿过空间飞向我们。这些微波背景辐射表明，那时的宇宙同样是以百万分之一的精度呈现出各向同性的。只是后来，当宇宙的年龄为数十亿年时，物质居然不均匀地聚集起来，形成了星系和星系团。因此，宇宙学家采用了简单假设：宇宙是均匀与各向同性的，而在总体的均匀与各向同性中含有微小的随机不规则性。尽管非均匀性很小，却至关重要。由于宇宙学形式的马太效应，那些含物质高于均值的稠密区域通过吸收稀疏区域的物质，随着时间推移，高于均值区域演化成星系团、星系、恒星和人。

标准大爆炸理论只是说在宇宙之初有一场爆炸，而没有告诉我们到底是什么爆炸，如何爆炸，更没有说为何爆炸。日常知识告诉我们，引力是一种吸引力，它使万物彼此靠近，怎能引发爆炸呢？所以，原初时刻一定存在着某种强大的排斥力。这个困扰人们的问题，直到1980年代初得到了解答。答案居然十分简单，爱因斯坦关于宇宙学常数的老想法以暴涨宇宙的新形式得以复兴。

暴涨宇宙学不仅弥补了标准大爆炸宇宙学中的许多漏洞，诸如解决了视界疑难、平坦性疑难与拓扑缺陷过丰等问题，并且给出了一系列预言。随着BICEP2团队的工作以及先前的种种实验验证，所有这些预言都得到了确认。除此之外，暴涨宇宙学还帮助我们理解了早期宇宙是如何获得了它那极低的熵，这使得我们比以往任何时刻都更接近时间之箭的解释。暴涨宇宙学还在量子力学与广义相对论之间建立了桥梁。

取得直接证据

量子力学的海森伯原理告诉我们，在任何量子系统中总存在着一个随机涨落。在暴涨宇宙学的框架中，这意味着量子场将展现出这种涨落。这就是卫星所观测到的辐射温度的随机分布数据的本源。由于诸如光子那样的矢量场所具有的对称性，它们产生的涨落并未对微波背景温度提供实质性的贡献。所以真正要关注的两类量子涨落是暴涨子场和引力场的涨落。暴涨子场是驾驭宇宙暴涨的场，它为最终转换成物质和辐射作了主要贡献。换句话说，暴涨子场涨落对早期等离子密度涨落作了主要贡献。由于暴涨子场是标量场，它所产生的涨落，有时也称作为标量涨落。这在卫星探测器实验中已经被证实。

引力场当然也有量子涨落，这些涨落产生了引力波。引力场是一种张量场，所以引力场的涨落有时也称作张量涨落。在原则上，我们能探测引力波，这是因为在物体较远处引力波会拉伸物体，当引力波通过物体时会挤压它。这好比在海滩上，潮水冲上沙滩时海波会卷起沙子，而当海潮退下后沙滩会留下波浪的痕迹。宇宙空间中当然没有沙子，只有微波背景辐射。无处不在的辐射是否会留下引力波的痕迹呢?答案很简单，引力波会给背景辐射留下痕迹！

为了阐明这个痕迹，我们不得不说一下极化这个概念。任何类型的电磁辐射都有极化，微波背景辐射也不例外。电磁波是传播电场和磁场振荡的涟漪，可以指定电场上下振荡方向来定义极化方向。当我们观测多个光子形成的辐射时，每个光子的极化方向是随机的，给出的叠加净效应几乎接近于零。在我们使用白炽灯时，就是这种情形，宇宙背景辐射也几乎是这样。不过，科学家们通过仔细分析能测量出微波背景辐射中的极化残余。

但是，暴涨子场涨落与引力子场涨落都能造成背景辐射的极化。这正是成也萧何，败也萧何！成败皆极化，不过此极化不是彼极化。通过仔细分析，极化存在着两种形态：E模极化和B模极化。暴涨子涨落只造成背景辐射的E模极化，而引力波既会造成E模极化也会造成B模极化。

用通俗的话来说，B模会产生一个涡旋状的极化形态而E模不会。利用这个性质，BICEP2团队观测到了B模极化形态，并指出这是大爆炸后原初引力波的独特印记。他们还定量地指出张量与标量贡献之比为0.2。

给我们的启迪

大爆炸引力波为人类带来新认知，BICEP2团队公布这个伟大发现已经一个多星期了，但是余音绕梁，人们激动之情仍未平复，这个发现给我们带来了众多的启迪。

尽管实验物理学家确证了原初引力波的存在，但是理论家居功至伟。最高的荣誉仍归于爱因斯坦，他的广义相对论是进行这些研究的基本工具，告诉我们在引力的影响下，宇宙将如何随时间演化。爱因斯坦建议的宇宙学常数，给出了排斥性引力的最简示例。更为重要的是，爱因斯坦预言了引力波存在，找寻引力波成了一代又一代科学家追寻的目标。古斯是暴涨思想的始作俑者，随后林德和史坦哈德特为完备暴涨宇宙理论也做出了重要贡献。

科学进步的总趋势是不可抗拒的，正如一江春水总是向东流，而水面上树叶的运动路径却百转千回。BICEP2团队的发现给我们的另一个启迪是，不同知识岛之间的“渗流”是十分重要的。粒子物理和广义相对论的观念系统相差甚远，但是一旦将粒子物理中的希格斯场的观念融入到宇宙学中，就会产生重大的创新。这使我们相信万物在更深层次上的相关性。

将望远镜指向月球就会发现月球表面坑凹的伽利略时代早就过去了。当代科学的进步，必定需要理论的指引。没有理论指引下的实验验证，犹如瞎子摸象。如果盲人摸到了象鼻子，倒还得到了大象的部分特征，可怕的是盲人骑瞎马摸到的仅仅是大象背上的土。对理论物理学家的任何漠视，最终会酿成一坛发酸的苦酒。

科学的进步，创新思想是关键。科学的成功常常在于B模这样的另辟蹊径，别出心裁。低水平的重复与简单的线性放大长期困扰着我国科学界。发现欧姆定律是伟大的，重复验证欧姆定律是初中生的玩意儿。

为什么BICEP2团队找到了原初引力波，而普朗克探测器没有发现？后者的经费投入远高于前者，这说明重大发现并不与科研投入成正比。诺贝尔奖并不能与培养体育明星那样选苗，行政行为无法设定谁将取得划时代的成果。科学家之所以投入研究，绝对不是为了取得金钱。重赏之下，并不出智夫。如果将科研人员的收入差异盲目扩大，必将破坏团队的和谐，带来严重的后果。

BICEP2团队的论文由47位作者署名，而团队的负责人科瓦奇位列27位，但是某报想当然地依照我国的行政惯例称科瓦奇为第一作者。我国科技团队为了文章署名，常常闹得不亦乐乎，甚至导致同事反目，团队散伙。这种莫名其妙的行政规定给科研造成的损失还少吗？

科学的进步，是从未知到达已知，未知之树上仍然挂满了金苹果，只有对未知世界充满好奇的人才会得到它。