科學家首次發(fā)現(xiàn)宇宙暴漲直接證據(jù) 被稱諾獎級成果

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       仰望浩渺的星空，人們總是不由要問：宇宙從何而來？美國科學家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急劇膨脹的首個直接證據(jù)。

　　美國航空航天局(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，被認為是諾貝爾獎級別的重大成果。

　　測到比“預想強烈得多”的信號

　　科學界目前普遍認為，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秒鐘的原初時刻，宇宙曾在極短時間內(nèi)經(jīng)歷了速度快到無法想象的急劇膨脹，這一過程稱為“暴漲”。

　　為驗證暴漲理論，美國哈佛-史密森天體物理學中心等機構(gòu)研究人員利用位于南極的BICEP2望遠鏡，對宇宙大爆炸的“余燼”——微波背景輻射進行觀測。宇宙微波背景輻射(CMB)是宇宙在大爆炸之后38萬年時散落在宇宙空間中的微弱電磁波，當時輻射首次得以自由穿過空間，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年由兩位美國科學家通過一臺射電望遠鏡發(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為被原子和電子散射而具有偏振性，新研究尋找的是一種叫做B模式的特殊偏振模式，其特點是會形成旋渦，是宇宙極早期的一種時空波動——原初引力波留下的獨特印記，其他形式的擾動，都產(chǎn)生不了這種B模式偏振。

　　南極是地球上觀測微波背景輻射的最佳地點之一。研究人員說，他們意外發(fā)現(xiàn)了比“預想的強烈得多”的B模式偏振信號。研究共同作者、明尼蘇達大學的克萊姆·普賴克說：“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)過三年多分析，排除了其他可能的來源，確認它就是暴漲期間原初引力波穿越宇宙導致的。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地了解暴漲的過程。

　　填補廣義相對論最后一塊拼圖

　　愛因斯坦于1916年提出的廣義相對論預言了原初引力波的存在。雖然過去十多年中，有多個研究項目在探測原初引力波，包括普朗克衛(wèi)星、POLARBEAR地面實驗，及位于南極的另一個“南極望遠鏡”實驗等，其中普朗克衛(wèi)星是歐洲航天局于2009年5月發(fā)射、造價約7億歐元的全天域微波背景輻射觀測望遠鏡，但科學界此前一直沒有找到這種波存在的證據(jù)。新發(fā)現(xiàn)不僅填補了廣義相對論實驗驗證中最后一塊缺失的拼圖，讓現(xiàn)代物理學的根基更加堅實，也會鼓舞引力波研究人員的士氣，促進有關(guān)國家進一步加大投入。

　　哈佛-史密森天體物理學中心的理論物理學家阿維·洛布說：“這項工作為一些最基本的問題提供了新見解：我們?yōu)槭裁磿嬖冢坑钪媸窃趺凑Q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候發(fā)生的，暴漲的威力又有多大。”

　　一些物理學家認為，這是一項諾貝爾獎級別的發(fā)現(xiàn)。美國亞利桑那州立大學理論物理學家勞倫斯·克勞斯在接受新華社記者采訪時說，雖然這項成果還需要得到進一步驗證，但“無論怎樣，都令人激動”。如被證實，將“可以躋身過去25年最重要的宇宙學發(fā)現(xiàn)之列”，有望獲得諾貝爾獎。

　　NASA表示，這一發(fā)現(xiàn)不僅有助于證實宇宙瞬間膨脹，還能夠為理論學家提供關(guān)于分離時間和空間的力量的首個證據(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)填補了廣義相對論實驗驗證的最后一塊缺失的拼圖。

　　愛因斯坦1916年發(fā)表的廣義相對論預言了宇宙誕生之初產(chǎn)生的一種時空波動——原初引力波——的存在。過去近百年中，廣義相對論的其他預言如光線的彎曲、水星的近日點進動以及引力紅移效應都已獲證實，唯有原初引力波因信號極其微弱，技術(shù)上很難測量，而一直徘徊在天文學家“視線”之外。劍橋大學博士、加拿大不列顛哥倫比亞大學的“CITA國家研究員”馬寅哲認為，原初引力波的發(fā)現(xiàn)是支持廣義相對論的又一有力證據(jù)，相對論所預言的所有實驗現(xiàn)象全部被驗證，實驗與理論符合得都很好。

　　其次，這一發(fā)現(xiàn)打開了觀測宇宙的一扇新窗戶。

　　在天文學幾百年來的發(fā)展過程中，人們觀測宇宙的主要手段是觀測光，也就是說幾乎所有天文實驗都是在收集光子。而根據(jù)標準宇宙大爆炸理論，大爆炸之后約40萬年，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亞利桑那州立大學理論物理學家勞倫斯·克勞斯認為，引力波被測量到，意味著人們可以通過引力波而一直追溯到大爆炸之后僅僅10的負35方秒的極早時期，同時引力波也可以作為另一種觀測宇宙的手段。引力波天文學這門新學科的大門也由此打開。

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

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

　　第四，這一發(fā)現(xiàn)意味著對宇宙微波背景輻射的測量將會進入下一個重要里程碑。

　　宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸的“余燼”，是一種彌漫在整個宇宙空間中的微弱電磁波信號。過去幾十年中，人們測量微波背景輻射，其實主要測量的是溫度場的信息，卻一直沒有測量到引力波的獨特印記——B模式偏振。目前，全球多個小組在探測引力波，新發(fā)現(xiàn)無疑將極大鼓舞他們的士氣，并促進有關(guān)國家進一步加大科研經(jīng)費和人力資源投入。

　　馬寅哲表示：“此項工作若獲證實，當之無愧是諾貝爾獎級的工作。而且在此之后，關(guān)于引力波的諾貝爾獎可能還會再出現(xiàn)。宇宙‘暴漲’理論的提出者也可能獲獎。”

       名詞解釋

　　引力波

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

　　然而，廣義相對論提出近百年來，源于它的其他重要預言都被一一被證實，而引力波卻始終未被直接探測到，問題就在于其信號極其微弱——波動的幅度遠小于一顆原子的100萬倍——技術(shù)上很難測量，因此也有人將之戲稱為“世紀懸案”、“宇宙中最大的徒勞無益之事”。

　　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)間接觀測到它的存在。1974年，美國物理學家喬瑟夫·泰勒和拉塞爾·赫爾斯首次發(fā)現(xiàn)一個雙星系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，兩顆中子星親密環(huán)繞并變得越來越接近，這意味著兩顆星正在損失能量。由于其軌道變化與相對論的預測完全吻合，兩名科學家認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。

　　值得指出的是，此次所觀測到的是所謂“原初引力波”，這是宇宙誕生時刻發(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，因為水汽會阻擋微波的傳播。另外，南極洲幾乎無人居住，因此來自手機通訊、電視機以及其他電子設(shè)備的干擾相對要小得多。

　　廣義相對論

　　1916年，德國物理學家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了一種數(shù)學的方法來解釋引力的本質(zhì)，他將其稱之為“廣義相對論”，它代表了現(xiàn)代物理學中引力理論研究的最高水平。這一理論依靠一系列的坐標系統(tǒng)，將時間與空間結(jié)合在一起進行描述，即所謂的“時空”概念。

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

　　廣義相對論的預言至今為止已經(jīng)通過了所有觀測和實驗的驗證——雖說廣義相對論并非當今描述引力的唯一理論，它卻是能夠與實驗數(shù)據(jù)相符合的最簡潔的理論。

　　廣義相對論并非完全是難以理解的數(shù)學。它擁有深遠的實際應用意義，比如它告訴我們引力如何對時間造成影響，而這對于現(xiàn)代的衛(wèi)星導航定位就十分關(guān)鍵。

　　宇宙

　　大爆炸與暴漲

　　宇宙大爆炸理論是現(xiàn)代宇宙學中最有影響的一種學說，其主要觀點是認為宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個時期里，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牧師兼物理學家喬治·勒梅特1932年提出的。他將其稱為是“沒有昨天的一天”，因為那是時間和空間的開端。

　　1946年美國物理學家伽莫夫正式提出大爆炸理論，他認為我們所觀測到的宇宙始于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，并復合成為通常的氣體。氣體逐漸凝聚成星云，星云進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結(jié)果相吻合。宇宙中物質(zhì)的分布太過均勻，以至于難以用原先認為的大爆炸理論進行解釋。于是在上世紀70年代，宇宙學家們提出宇宙在大爆炸之后的短暫時期曾經(jīng)經(jīng)歷一段急劇快速膨脹的階段，這就是暴漲，它被認為發(fā)生在宇宙大爆炸之后的一瞬間，時空的暴漲造就了宇宙的開端——在不到10的負35方秒的時間里，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到的水平。因此如果能夠探測到原初引力波，那么這就意味著暴漲必定確實發(fā)生過。