探秘決定宇宙命運(yùn)的瞬間

錢煒

墨鏡、笨重到會(huì)影響行動(dòng)的防寒服與手套、凍得發(fā)紅的皮膚…… 照片上的約翰·科瓦克看上去更像是一名冰雪世界探險(xiǎn)者，而不是出身于常春藤名校的天文物理學(xué)家。過(guò)去23年間，他曾23次踏上南極那片荒涼極寒之地。他們的觀測(cè)裝備——宇宙河外偏振背景成像望遠(yuǎn)鏡（BECEP）就位于南極極點(diǎn)的美國(guó)科考站。如今，那些仰望星空的孤獨(dú)長(zhǎng)夜終于有了回報(bào)——

3月17日，科瓦克的團(tuán)隊(duì)在美國(guó)波士頓宣布：他們發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射（CMB）B模式的存在，這是宇宙大爆炸早期產(chǎn)生的引力波的印跡，也是宇宙暴脹理論的直接證據(jù)。此時(shí)，距離愛因斯坦提出廣義相對(duì)論已過(guò)去近一個(gè)世紀(jì)，也是CMB被發(fā)現(xiàn)以來(lái)的第50個(gè)年頭。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)為還只是哈佛大學(xué)助理教授的科瓦克的前路鋪滿鮮花。美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）教授阿蘭·古斯在接受英國(guó)《自然》雜志采訪時(shí)就明確表示，這“絕對(duì)”是一項(xiàng)可以獲得諾貝爾獎(jiǎng)的研究。實(shí)際上，古斯自己也該非常開心，因?yàn)樗翘岢鲇钪姹┟浝碚摰牡谝蝗?。很多人都認(rèn)為，古斯與科瓦克等人將很快一起分享諾貝爾獎(jiǎng)。而國(guó)內(nèi)中山大學(xué)天文與空間科學(xué)研究院院長(zhǎng)李淼說(shuō)得更加明確：也許就在2015年，不會(huì)晚于2016年。

回眸宇宙的38萬(wàn)歲

最初吸引科瓦克走上天文學(xué)這條路的，是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主史蒂芬·溫伯格的一本書《宇宙最初三分鐘》。這是本宇宙學(xué)入門秘籍。溫伯格在書中寫道，在1950年代，研究宇宙的誕生這個(gè)問(wèn)題，還被注重體面的科學(xué)家們不屑一顧，因?yàn)楫?dāng)時(shí)無(wú)論是理論還是觀測(cè)的基礎(chǔ)都不具備。但僅僅過(guò)了10年，也就是1964年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射，證實(shí)了大爆炸理論，從此，宇宙學(xué)開始成為一門嚴(yán)肅的學(xué)科被認(rèn)真研究和討論。

當(dāng)時(shí)，還是高中生的科瓦克讀到這本書，覺得很酷，他覺得，科學(xué)里再?zèng)]有比研究宇宙更大的問(wèn)題了。這本書1977年首次面世時(shí)就大受歡迎，作者在1993年增補(bǔ)內(nèi)容后再度出版。而宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)者則在此書出版后第二年就獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

在亞馬遜英文網(wǎng)站，這本書與阿蘭·古斯寫的《暴脹宇宙：追尋宇宙起源的新理論》放在一起，被推薦搭配購(gòu)買。這是因?yàn)椋潘沟谋┟浝碚?，正是建立在宇宙大爆炸學(xué)說(shuō)和CMB基礎(chǔ)之上。

蘇萌是MIT物理系和卡弗里天體物理研究中心的博士后研究員，同時(shí)也在哈佛大學(xué)天文系兼職，曾在2008～2012年追隨科瓦克攻讀博士學(xué)位并主要參與了BECEP1項(xiàng)目。他在接受《中國(guó)新聞周刊》采訪時(shí)解釋說(shuō)，在宇宙發(fā)生大爆炸后的起初一段時(shí)間里，溫度密度都很高，就像一碗“熱湯”。這時(shí)沒有原子，質(zhì)子和電子都只能以游離狀態(tài)存在，一旦它們結(jié)合，就會(huì)馬上被周圍無(wú)數(shù)的高能光子“拆散”。直到宇宙的38萬(wàn)歲那一年，由于宇宙的持續(xù)膨脹，這碗“湯”的溫度密度已經(jīng)降到足夠低，光子的能量越來(lái)越低，能撞到電子的概率也微乎其微。原子開始結(jié)合，恒星與星系的種子開始生長(zhǎng)……此后，這些光子就成了無(wú)關(guān)緊要的背景，在宇宙中孤獨(dú)穿行，直至今天，被地球上的人類探測(cè)到，被稱為宇宙微波背景輻射。

當(dāng)大爆炸模型成為解釋宇宙起源的主流理論后，科學(xué)上還是有一些問(wèn)題無(wú)法解釋清楚。在理論上，宇宙微波背景輻射應(yīng)該很不均勻，可實(shí)際上，人們卻可以從天空各個(gè)方向看到CMB，且在各個(gè)方向上都驚人地相似——這就形成了一個(gè)悖論。

宇宙誕生的最初一瞬間

1979年，還只是一名普通物理學(xué)博士后的阿蘭·古斯提出了一個(gè)驚人的假設(shè)。此時(shí)，這位戴著寬大眼鏡的理科宅男已經(jīng)當(dāng)了9年的博士后。他曾少年得志，沒念完高中，17歲跳級(jí)進(jìn)了MIT，在那里念到博士學(xué)位。但之后的經(jīng)歷卻平平淡淡，輾轉(zhuǎn)于普林斯頓、哥倫比亞與康奈爾大學(xué)，急缺一項(xiàng)出色的研究來(lái)確立自己的學(xué)術(shù)地位。

轉(zhuǎn)折發(fā)生在一位華裔博士后戴自海邀請(qǐng)他加入一項(xiàng)新的研究之時(shí)。這項(xiàng)工作直接催生了古斯的宇宙暴脹設(shè)想。（戴自海后來(lái)也成為著名高能物理學(xué)家，如今執(zhí)掌香港科技大學(xué)高研院。）

古斯認(rèn)為，在宇宙大爆炸的一瞬間，大概就在10-37秒與10-34秒之間，宇宙經(jīng)歷了一個(gè)異?？焖倥蛎浀碾A段，被他稱作暴脹?！斑@種暴脹，不是像原子彈那樣從一個(gè)中心點(diǎn)擴(kuò)散到別處，而是類似地球的每一個(gè)角落都在發(fā)生爆炸。暴脹的程度，相當(dāng)于在如此之短的時(shí)間內(nèi)把頭發(fā)絲的直徑拉大到整個(gè)銀河系那樣的規(guī)?！保K萌形容說(shuō)。暴脹理論可以解釋為何宇宙從大尺度上看來(lái)如此均勻的問(wèn)題：因?yàn)槭撬查g暴脹，所有物質(zhì)在誕生之初都被賦予了相似的面貌。因此，即使后來(lái)各個(gè)天體間不再發(fā)生關(guān)聯(lián)，但卻擁有相似的宇宙微波背景輻射。1980年，古斯關(guān)于暴脹理論的論文發(fā)表，引起學(xué)界震動(dòng)。他也收到了母校的邀請(qǐng)，回到MIT擔(dān)任教授至今。

“暴脹的一瞬間，已經(jīng)決定了我們整個(gè)宇宙的命運(yùn)”，蘇萌解釋說(shuō)，實(shí)際上，現(xiàn)在已經(jīng)有很多宇宙學(xué)家認(rèn)為，我們的宇宙不止一次地發(fā)生過(guò)大爆炸，這一暴脹過(guò)程可能是循環(huán)往復(fù)的，同時(shí)，也存在著不止一個(gè)宇宙。而那些宇宙能夠演化成什么樣，會(huì)不會(huì)產(chǎn)生恒星與星系，會(huì)不會(huì)演化出像人類這樣的高智能生物，都取決于爆炸瞬間的暴脹過(guò)程?！澳闵踔量梢哉f(shuō)，如果沒有暴脹，就沒有今天人類回溯宇宙誕生瞬間的這件事?！?h3>尋找圣杯

根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，暴脹的時(shí)空擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生引力波。由于這種引力波產(chǎn)生于宇宙誕生之初，就被人們稱之為“原初引力波”。原初引力波疊加于宇宙微波背景輻射，使之產(chǎn)生了一種特有的偏振，被稱為B模式。要想找到原初引力波的蹤跡，就只能深入研究CMB。

然而，在古斯的暴脹理論提出30多年后，科學(xué)家卻遲遲沒有找到支持該理論的證據(jù)——原初引力波。世界上起碼有七八個(gè)團(tuán)隊(duì)同時(shí)在做類似的研究，原初引力波成了宇宙學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)圣杯。起初，被人們最寄予厚望的是2009年歐洲空間局發(fā)射的普朗克望遠(yuǎn)鏡。它位于地球150萬(wàn)千米之上的太空，角狀天線中藏有74個(gè)輻射計(jì)，全部指向宇宙最深處，背對(duì)著地球和太陽(yáng)。早在兩年多以前，普朗克就完成了主要觀測(cè)計(jì)劃。

然而，歐洲1000多名科研人員對(duì)著普朗克傳回的海量數(shù)據(jù)分析了兩年后，盡管也發(fā)表了31篇論文，卻沒有什么令人激動(dòng)的發(fā)現(xiàn)。而科瓦克的團(tuán)隊(duì)從2006年開始在南極建設(shè)BECEP，在第一代儀器沒有做出驚人發(fā)現(xiàn)后，于2010年搭建了第二代BECEP2，很快就發(fā)現(xiàn)了原初引力波的跡象，并在和BECEP1的對(duì)比研究中得到證實(shí)。對(duì)此，科瓦克也驚喜異常，因?yàn)樵跻Σǚ浅Ｎ⑷?，他們?cè)詾橐鹊谌h(yuǎn)鏡投入使用后才能找到。“這就像是，你本來(lái)只打算在一堆柴火里找一根細(xì)針，沒想到卻發(fā)現(xiàn)了一根鐵棍?！?/p>

BECEP與普朗克的“勝負(fù)”，其實(shí)是兩種不同觀測(cè)思路的差異。蘇萌解釋說(shuō)，太空中的干擾比地面少，背景更加干凈，這是普朗克的優(yōu)勢(shì)。但由于是巡天望遠(yuǎn)鏡，也就是說(shuō)，普朗克觀測(cè)的是全天的宇宙微波背景輻射，數(shù)據(jù)量十分龐大，分析工作有著不小的難度。而BECEP只對(duì)準(zhǔn)一小片特定的天區(qū)，對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)，因此可說(shuō)是小而精。

之所以將BECEP設(shè)在海拔2800米的南極大陸，也并非偶然。這是因?yàn)椋髿庵械乃魵鈺?huì)吸收微波輻射并產(chǎn)生新的輻射。而南極氣溫極低，空氣干燥，且至今沒有人類定居，能排除手機(jī)、電視廣播等電子設(shè)備帶來(lái)的信號(hào)干擾。

科瓦克是個(gè)幸運(yùn)兒，他曾因差點(diǎn)落選哈佛教授的競(jìng)聘而與今天的發(fā)現(xiàn)擦肩而過(guò)。據(jù)蘇萌回憶，2008年，哈佛天文系招聘，從幾百位申請(qǐng)人中篩選出5人進(jìn)入最終面試，科瓦克就是其中之一。面試結(jié)果，科瓦克排名第三。但巧的是，排名前兩位的兩個(gè)人沒有接受哈佛的邀請(qǐng)，于是，科瓦克最終成為哈佛宇宙微波背景輻射研究團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)人。受《宇宙最初三分鐘》的影響，科瓦克上大學(xué)時(shí)選擇了普林斯頓，因?yàn)槟抢镉卸辔谎芯緾MB的大師級(jí)人物。從1992年起，科瓦克就開始幾乎每年都去南極做天文觀測(cè)，曾有很多個(gè)圣誕節(jié)在冰原上度過(guò)。

發(fā)現(xiàn)原初引力波，在宇宙學(xué)領(lǐng)域具有里程碑式的意義。蘇萌說(shuō)，“宇宙學(xué)的最大特點(diǎn)就是不確定性?，F(xiàn)在我們只是確定了，在宇宙誕生之初確實(shí)出現(xiàn)過(guò)暴脹瞬間。接下來(lái)，科瓦克的團(tuán)隊(duì)還在搭建第三代、第四代儀器，將對(duì)暴脹的具體細(xì)節(jié)做更多研究。”