引力波痕迹到底是什么

悠悠

2014年3月17日，美国哈佛大学的约翰·科瓦奇向世界宣布，他和自己的射电天文学团队发现了宇宙大爆炸的引力波痕迹。他们使用架设在南极的BICEP2望远镜进行观测，在宇宙微波背景辐射的偏振信号中发现了原初引力波的痕迹。宇宙微波背景辐射有时也被称为大爆炸“余晖”，微波背景辐射的偏振信号与某种太阳镜的偏振现象类似。

他们获得的微波背景辐射偏振图，具有独特旋涡或者卷曲结构，有类似铁屑洒在磁铁表面产生的效果。该现象是宇宙在暴胀过程中产生引力波扩散的指示器。

宇宙微波背景辐射的偏振图可以分为两个部分。一个是旋度为零的部分（类电场部分），称为“E模偏振”，简称为“E模”。这种偏振最先于2002年被度角尺度干涉仪（DASI）发现。另一个是散度为零、旋度不为零的部分（类磁场部分），称为“B模偏振”，简称为“B模”，具有手征性。宇宙学家已预测出两种B模：第一种是在大爆炸发生后的瞬间发生宇宙暴胀时生成，第二种是在后来由引力透镜生成。

约翰·科瓦奇探测到的是第一种B模。稍早时候，南极望远镜已发现了第二种B模。这一发现可能对检验宇宙起源理论有所帮助。科学家现在正在使用普朗克卫星测得的数据进行分析，希望能够更进一步了解这些引力波。

宇宙暴胀发生在宇宙大爆炸之后，是宇宙经历指数级扩张的一个短暂时期（本刊2013年第A12期有详细解释）。如果这项发现得到确认，“宇宙大爆炸”理论将得到证实。

问：您和您的团队在BICEP2实验望远镜观测到的宇宙微波背景、辐射数据中看到了什么？

答：最重要的结果是我们发现了探测暴胀模型的隐含信息，我们看到了原初引力波的直接图像。原初引力波使得光线以独特的方式发生偏振。宇宙微波背景辐射是大爆炸之后38万年的快照，当时，宇宙微波背景辐射首次自由穿过太空，而引力波信号则在宇宙诞生后的一瞬间出现，并叠加在宇宙微波背景辐射信号上。

问：这项发现还有其他的重要意义吗？

答：研究宇宙学的人都知道，宇宙暴胀B模预测并未被广泛认可，其不仅取决于引力波现象，还基于引力自身量化。宇宙暴胀理论假设任何物质都起始于量子起伏，之后伴随暴胀过程被放大。因此，从深层次角度来讲，这项发现的基础在于量子力学和引力理论的关联性是正确的。

问：BIcEP2实验望远镜探测到的B模偏振信号是普朗克探测器观测数据的2倍，这暗示着什么呢？答：迄今公布的普朗克探测器观测数据来自宇宙微波背景辐射的温度地图，并非来自一种直接偏振测量。我们在这项分析工作中十分小心谨慎，但是我必须承认我们的观测数据与普朗克观测数据相比，具有较高的信噪比。在过去三年里，我们致力于解决一切可能篡改该信号的系统问题，我们已做了最详尽的科学分析。

问：你何时意识到探测到了梦寐以求的“宇宙暴胀理论的直接证据”？

答：2013年秋季，我们首次对比分析了BICEP2和BICEP1的观测数据，这是最有力的证据。因为BICEP1采用非常独特的探测器，拥有成熟的技术，我们使用了不同设备和完全不同的技术，最终获得的信号数据却是一致的，从而打消了我们最后的疑虑。

12月初，我在南极召开了一次紧急会议，并展示了我们的测试数据，以及仍须检测的数据。等这些测试通过，我们将会全部公开。

问：你们当时庆祝了吗？或者之后庆祝了吗？

答：我在整个过程中始终保持冷静，进行庆祝的时间应当是在发布最终研究结果时。

问：什么使你对宇宙微波背景辐射产生兴趣？

答：我在高中时代阅读了史蒂芬·温伯格有关宇宙学的书籍《最初的三分钟》，被深深地吸引了。我还记得书中一些内容：“现在我们迎来了一个完全不同的天文学时代，这是一个10年前无法理解和描述的故事。我们所研究的将不再是银河系或者类似星系数亿年前释放的宇宙光线，而是宇宙诞生时四处弥漫的射电背景。”

这段内容是温伯格介绍宇宙微波背景辐射的发现及其重要意义时说的。对于宇宙学而言，这是一个全新的概念。当时我还是一个孩子，我觉得这是最酷的科学研究，毕竟没有比这更大的问题。

我选择在普林斯顿大学读本科是因为这本书提过这所大学。宇亩微波背景辐射天文学领域中的几位重要人物：吉姆.皮布尔斯、罗伯特-迪克和大卫·威尔金森都来自这所大学。更为幸运的是，我成为大卫·威尔金森的学生，并协助他完成了一些校内工作。在他的指导下，我进入宇宙微波背景辐射实验室。当时，他们计划在南极建造一台宇宙微波背景辐射望远镜，我被深深地吸引了。实际上，在上学期间，我有一年时间在校外度过，并依靠自己的能力获得前往南极实验站的机会。1990年至1991年间，在宇宙背景探测器（COBE）卫星发现宇宙微波背景辐射首次出现波动不久，架设在南极的望远镜观测到了同样的宇宙微波背景辐射，两者相隔不到一年时间。从那以后，我持续从事这项研究，去了南极23次。现在回想起来，非常庆幸自己能在宇宙微波背景辐射领域的最前沿工作。

问：你的书架上存放着加州理工学院已故天体物理学家安德鲁·兰格的照片。在他2010年因抑郁症自杀身亡之前，曾指导过许多参与宇宙微波背景辐射实验的学生。他在你的事业生涯中起到了何种作用？

答：我在来到哈佛大学之前曾经在加州理工学院安德鲁·兰格的实验室进行博士后研究工作，之后又成为高级研究员。兰格在学术方面给予我许多灵感，同时也是我的益友。在研究工作中，他委托给我重要的任务，鼓励我参与BICEP1望远镜的安装与操作，并引导我完成下一代研究项目，使我成为BICEP2望远镜的首席科学家及研究报告的第一作者。

兰格喜欢将寻找B模偏振描述为“宇宙学最大的徒劳的事情”。他一定很喜欢看到这个研究成果，知道我们并非徒劳！

我也是芝加哥大学天文学家约翰·卡尔斯特姆的研究生。虽然目前卡尔斯特姆是我的竞争对手之一，但他也是我最亲密的朋友，我有两位伟大的导师。

问：你的儿子今年多大？他是如何看待你的研究工作的？

答：我的儿子今年9岁，他对我的研究工作非常兴奋。他能理解许多内容，甚至能够向我的妻子解释，我对此感到十分惊讶。如果他年龄再大一点，可以和我一起前往南极。endprint