找到宇宙大爆炸的痕迹

张辉

“宇宙中最不可理解的事情，就是宇宙是可以被理解的。”千百年来，科学家们一直在探寻宇宙是什么时候、如何形成的。关于宇宙的起源，影响深远的理论之一就是宇宙大爆炸理论。近日，科学家宣布找到了宇宙大爆炸的证据。这一结果表明人类将会知道：宇宙是如何诞生的？我们是怎么来的？

引力波——宇宙大爆炸的证据

1932年，比利时牧师兼物理学家乔治·勒梅特首次提出现代宇宙大爆炸理论，认为宇宙由大约138亿年前发生的宇宙大爆炸形成。但大爆炸理论并没有与所有天文观测结果相吻合。为解释疑点，半个世纪后，麻省理工学院科学家阿兰·古斯等人提出“宇宙暴涨理论”，认为宇宙大爆炸后的极短暂时期内，曾经历过一个急剧快速膨胀的阶段，这就是“暴涨”。如果宇宙初创之时被猛烈地撕开，那么这种时空的急速变化会带来引力场的变化。大爆炸发生时，就产生了原初引力波。所以对宇宙来说，引力波就像宇宙的黑匣子——记录宇宙形成时的全过程；它也像活化石——不会因为时空的变幻而消失，会久久回荡在时空中。

早在1916年，爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在。广义相对论认为，物质和能量会造成时空的扰动，就像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。所以说，引力波是携带能量穿过宇宙的涟漪。但是宇宙还在持续地膨胀，以至于这些原始的引力波对时空的搅动，就像爱因斯坦预言的一样，微不足道。 爱因斯坦当时指出引力波现象将极其微弱，他认为人类也许无法实际探测到。

幸运的是，近100年之后，北京时间2014年3月18日凌晨，哈佛大学史密松天体物理中心的约翰·科瓦克博士向世界宣布，他和他的射电天文学团队发现了来自宇宙大爆炸的引力波证据！这一结论是科学家们对宇宙微波背景辐射经过为期3年的研究后得出的。科学家认为：这是约138亿年前，创造宇宙的大爆炸产生的痕迹，我们将因此“看到”宇宙是怎么诞生的；这是宇宙暴涨理论的第一个直接证据。

找到宇宙大爆炸的证据

138亿年过去了，如何寻找宇宙第一波？它并不像金缕玉衣等文物一样可触摸，也不像一缕阳光或一阵清风能被感触。它微弱的波动信号，被小心地隐藏在宇宙微波背景辐射中——宇宙大爆炸发生后大约38万年时，当光第一次可以在宇宙中自由传播时留下的遗迹。

干燥而大气稀薄的南极成为宇宙“考古发掘”的最佳地点，原因是宇宙微波背景辐射的波段极容易被水蒸气所吸收。“挖掘工具”是一种叫作宇宙泛星系偏振背景成像（Bicep）的望远镜。在长达6个月的南极极夜时间，它紧紧盯着太空中“最干净的一块天区”——一块差不多相当于1000个月球拼成平面那么大的地方——仔细寻找引力波的信号。

计算表明，原初引力波作用到微波背景光子，会产生一种叫作B模式的特殊偏振模式，其他形式的扰动都产生不了这种B模式偏振，因此B模式偏振成为原初引力波的“独特印记”。观测到B模式偏振即意味着引力波的存在。如果你厌烦这些晦涩难懂的术语的话，那么以下这个比喻，或许有助于你理解科学家研究之困难：如果把宇宙微波背景辐射比作一望无际、深达几千米的海洋，那么这种B 模式偏振的强度，就像是微风在洋面上吹起的细小波纹。但是，幸运的是，研究人员此次在南极发现了比“预想中强烈得多”的B模式偏振信号，随后经过3年多的缜密分析，排除了其他可能的来源，确认它就是原初引力波导致的。“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。”科学家感慨到。

找到该引力波，就意味着暴涨宇宙学的模型基本上被证实了。暴涨宇宙学是目前最成功的描述极早期宇宙演化行为的模型。其所有预言，除了引力波之外，都已经被观测证实。现在引力波也发现了，基本上这个模型不再有什么重大问题了。

关于宇宙起源还有很多谜题

但是即使宇宙大爆炸理论被证实，关于宇宙起源还有很多未解之谜。例如，宇宙暴涨发生的物理机制是什么？暴涨之前是什么阶段？暴涨是怎样结束的？宇宙中的物质是怎样产生的？宇宙中96%都是看不见摸不着的东西，被科学家称为宇宙的暗物质和暗能量。研究暗物质和暗能量的性质是当今粒子物理学和宇宙学面临的最大挑战之一。

【责任编辑】蒲 晖