（文/ Stuart Clark）在道格拉斯·亞當(dāng)斯（Douglas Adams）所著的《宇宙盡頭的餐館》中，客人們會(huì)在早餐前經(jīng)歷6件不可能的事情。而在過(guò)去的十幾年里，宇宙學(xué)家似乎已經(jīng)完成任務(wù)過(guò)半了。
發(fā)現(xiàn)一：暗物質(zhì)。星系自轉(zhuǎn)的速度超出了發(fā)光物質(zhì)的引力所能掌控的程度，因此宇宙中80%以上的物質(zhì)，必定以一種迄今尚未被我們看見(jiàn)和探測(cè)到的方式存在著。
發(fā)現(xiàn)二：暗能量。出乎所有人的意料，宇宙膨脹正在加速，因此普通物質(zhì)和暗物質(zhì)向內(nèi)拉扯的引力，被另一種沒(méi)有人確切知道是什么的奇特成分擊敗了。
發(fā)現(xiàn)三：暴脹。有了這一切，宇宙看起來(lái)仍比我們預(yù)期的要平滑許多，所以宇宙必定在誕生后的最早期，被自然發(fā)生隨即又停止的超光速膨脹抹平了一切皺褶。
非比尋常的論斷，需要非比尋常的證據(jù)。所以，2014年3年，當(dāng)BICEP2望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了這“三大怪”其中之一的證據(jù)時(shí)，你幾乎可以感覺(jué)到，整個(gè)學(xué)術(shù)界長(zhǎng)舒了一口氣（參見(jiàn)《我們看到了宇宙誕生的最初瞬間》）。他們?cè)谟钪嫖⒉ū尘拜椛渲刑綔y(cè)到的獨(dú)特光偏振模式，實(shí)際上是一石二鳥(niǎo)——既是宇宙暴脹明白無(wú)誤的證據(jù)，又為在暴脹的同一時(shí)期存在引力波提供了間接證據(jù)。要知道，迄今為止，引力波仍是一種理論上預(yù)言的現(xiàn)象，還從未被直接探測(cè)到過(guò)。
如果這一結(jié)果得到最終確認(rèn)，將會(huì)極其令人興奮。宇宙學(xué)家將可以甄別琳瑯滿(mǎn)目的暴脹理論，真正了解宇宙歷史最初的時(shí)刻。
不過(guò)，在舉杯歡慶的人群中，也有清醒的頭腦。對(duì)這一結(jié)果的其他獨(dú)立證認(rèn)自然最為重要，但除此之外，也還有更為寬泛的考慮?！半m然這是一次歷史性的進(jìn)步，但它仍有自己的局限性，”英國(guó)愛(ài)丁堡皇家天文臺(tái)的宇宙學(xué)家約翰·皮科克（John Peacock）說(shuō)，“現(xiàn)在我們已經(jīng)能以最大的可見(jiàn)程度來(lái)回溯時(shí)間了，但依然無(wú)法企及宇宙最初的時(shí)刻?！蹦壳?，對(duì)于緊挨著大爆炸的瞬間，我們或許有了比以往更好的認(rèn)識(shí)，但問(wèn)題在于，對(duì)大爆炸本身的了解一直止步不前。
宇宙暴脹的想法可以追溯到上世紀(jì)80年代，它的問(wèn)世是為了解釋為什么宇宙的整體溫度和密度要比理論預(yù)言的均勻許多。在大爆炸那一刻，時(shí)空自身被擠壓在一起，就像一張被團(tuán)起來(lái)的紙。就算讓它膨脹到目前可觀測(cè)宇宙的大小，也不足以抹去所有的折痕。
然而，劇烈的暴脹則可以拉平這團(tuán)紙。它的基本思想是，在宇宙的最初瞬間，真空本身蘊(yùn)藏了巨大的能量。量子漲落使得真空振蕩，進(jìn)而開(kāi)始逐漸注入這一能量，蔓延至整個(gè)嬰兒期的宇宙。這會(huì)驅(qū)動(dòng)宇宙發(fā)生指數(shù)式的膨脹，在短短的10-36秒的時(shí)間里，宇宙的尺度翻倍了80次，從僅僅10-28米的跨度急劇增大到了接近1 厘米。結(jié)果便是形成了一個(gè)沒(méi)有結(jié)構(gòu)且平坦的時(shí)空，在這之后恒星和星系才開(kāi)始形成。
這個(gè)過(guò)程也產(chǎn)生了BICEP2團(tuán)隊(duì)所觀測(cè)的宇宙微波背景輻射。這些最古老的光線充滿(mǎn)了整個(gè)宇宙空間，一開(kāi)始受困在早期宇宙超高密度的物質(zhì)當(dāng)中。大約38萬(wàn)年后，當(dāng)宇宙冷卻到足以形成第一個(gè)原子時(shí)，它們終于被釋放了出來(lái)，能夠在宇宙各個(gè)方向上自由傳播。
138億年以來(lái)，宇宙膨脹一直在拉伸宇宙微波背景輻射，使它們從最初的超高能量冷卻成了僅能加熱分子的微波，溫度只有2.7 K——這也常常被當(dāng)作是空間的溫度值。在大尺度上，這一溫度和其他的特性幾乎是均勻分布的。然而在局部，事情看上去就會(huì)頗為不同。緊盯天空中的某一片區(qū)域，BICEP2望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到了暴脹在宇宙微波背景中留下的印跡，被稱(chēng)為B模式偏振。
這些印跡源于愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，該理論描述了物質(zhì)和能量如何使得空間和時(shí)間發(fā)生彎曲。于是，驅(qū)動(dòng)暴脹的量子漲落也會(huì)使得時(shí)空跟著一起漲落，產(chǎn)生時(shí)空漣漪，被稱(chēng)為原初引力波。
當(dāng)且僅當(dāng)發(fā)生暴脹時(shí)，原本極其微弱的引力波才會(huì)被急劇放大。這些被放大的引力波貫穿宇宙，扭轉(zhuǎn)宇宙微波背景輻射中的光子，產(chǎn)生B模式偏振。宇宙極早期中的一個(gè)瞬間由此變成了遍布整個(gè)天空的特征，這就像把一幅圖像放大到極致，而你所能看到的，不過(guò)是一塊一塊的像素而已。
2014年3月17日，BICEP2團(tuán)隊(duì)在美國(guó)哈佛大學(xué)史密松天體物理中心宣布了這一發(fā)現(xiàn)。英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院的宇宙學(xué)家希蘭亞·佩里斯（Hiranya Peiris）說(shuō)：“探測(cè)到原初引力，是最接近證明我們?cè)?jīng)歷過(guò)暴脹的一步?！?/p>
這一發(fā)現(xiàn)的潛在影響是巨大的。沒(méi)有參與此項(xiàng)工作的皮科克指出，宇宙微波背景被釋放的時(shí)候，宇宙的大小不足現(xiàn)在的1/1100，但暴脹在宇宙微波背景中留下的印跡卻可以追溯到宇宙大小還不到今天的10-55時(shí)。“這是向前邁進(jìn)了一大步，”他說(shuō)，“假如得到證實(shí)，我認(rèn)為這必定是我有生之年里最大的科學(xué)進(jìn)展?！?/p>
前提是，假如得到證實(shí)。這樣一個(gè)潛在的突破迫切地需要佐證，因?yàn)榉彩虏⒎嵌枷褚患右坏扔诙敲春?jiǎn)單。BICEP2的結(jié)果暗示，原初引力波的大小——用r值來(lái)表征——遠(yuǎn)超任何人的預(yù)期。加拿大麥吉爾大學(xué)的鄧肯·漢森（Duncan Hanson）參與了南極望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目，該望遠(yuǎn)鏡就設(shè)在BICEP2的旁邊，正在補(bǔ)充對(duì)宇宙微波背景的觀測(cè)。漢森說(shuō)：“測(cè)量出的r值讓人有點(diǎn)吃驚，因?yàn)槲覀冊(cè)?jīng)認(rèn)為，這么大的r值已經(jīng)被排除了。”他強(qiáng)調(diào)，“某種形式的確認(rèn)絕對(duì)是必需的。”
這一結(jié)果也與歐洲空間局普朗克衛(wèi)星于2013年3月公布的數(shù)據(jù)相沖突。在BICEP2僅觀測(cè)一小部分宇宙微波背景的同時(shí)，“普朗克”花了4年半的時(shí)間，以前所未有的精度，對(duì)整個(gè)天空中的宇宙微波背景進(jìn)行了觀測(cè)。
暴脹抹平了宇宙微波背景的溫度，但產(chǎn)生原初引力波的量子漲落也會(huì)令微波背景的溫度發(fā)生微小的起伏。其他的效應(yīng)也可以產(chǎn)生類(lèi)似的結(jié)果，所以溫度漲落本身并不足以證明暴脹。但如果假設(shè)這一變化全部由暴脹產(chǎn)生，便可以由此計(jì)算出原初引力波r值的上限。根據(jù)“普朗克”的數(shù)據(jù)，r值不應(yīng)該大于0.11；BICEP2給出的結(jié)果是這一數(shù)值的2倍。
對(duì)于這一矛盾，最簡(jiǎn)單同時(shí)也最尷尬的解釋是，BICEP2的數(shù)據(jù)分析存在問(wèn)題。毫無(wú)疑問(wèn)，在數(shù)據(jù)分析的過(guò)程中存在無(wú)數(shù)陷阱。最重要的是，除了源于暴脹的原初引力波之外，還有其他東西也可以產(chǎn)生B模式偏振信號(hào)。在宇宙微波背景被釋放出來(lái)之后，星系團(tuán)的引力能夠扭轉(zhuǎn)光子，被束縛在銀河系磁場(chǎng)中的塵埃顆粒也能做到這一點(diǎn)。有人已經(jīng)提出，或許來(lái)自于超新星爆發(fā)的塵埃顆粒導(dǎo)致了這一結(jié)果。
只觀測(cè)一小片天空，遠(yuǎn)離銀河系的銀道面和任何大型的星系團(tuán)，可以減少這些干擾——BICEP2正是這樣做的。但參與了“普朗克”項(xiàng)目的佩里斯對(duì)此仍有顧慮。她說(shuō)：“我對(duì)他們的結(jié)果感到很驚訝。這簡(jiǎn)直就是50年一遇的重大發(fā)現(xiàn)，不是嗎？但是，作為一名科學(xué)家，我不得不對(duì)此表示懷疑?！?/p>
她擔(dān)心，BICEP2的數(shù)據(jù)分析僅用了一條由多個(gè)軟件構(gòu)成的“流水線”?！捌绽士恕敝辽偈褂昧?條，有時(shí)甚至多達(dá)5條獨(dú)立的流水線，來(lái)降低因未知的程序問(wèn)題導(dǎo)致錯(cuò)誤結(jié)果的幾率。佩里斯說(shuō)：“為了驗(yàn)證BICEP2的結(jié)果，需要不同天區(qū)的不同數(shù)據(jù)，以及一條不同的數(shù)據(jù)處理流水線?！?/p>
通過(guò)開(kāi)發(fā)第二條數(shù)據(jù)處理流水線，BICEP2自己就能做到這一點(diǎn)。其他的地面望遠(yuǎn)鏡也可以提供獨(dú)立的檢驗(yàn)，其中包括漢森的南極望遠(yuǎn)鏡和位于智利的“北極熊”（Polarbear）實(shí)驗(yàn)。它們的團(tuán)隊(duì)正在梳理各自的數(shù)據(jù)，或者計(jì)劃新的觀測(cè)來(lái)證實(shí)或者反駁BICEP2的結(jié)果。不出所料，它們目前還沒(méi)準(zhǔn)備好發(fā)表評(píng)論。
最沉重的打擊依然來(lái)自于“普朗克”。它的全天觀測(cè)結(jié)果把任何局部特征都限制在了很小的范圍之內(nèi)。更重要的是，它采集了9個(gè)微波波段的數(shù)據(jù)。這使得“普朗克”可以更容易也更可靠地剔除掉前景偏振的干擾，因?yàn)閴m埃顆粒對(duì)微波的散射會(huì)隨著波長(zhǎng)而變化。
2013年，“普朗克”團(tuán)隊(duì)發(fā)布全天溫度圖時(shí)，他們承諾將在2014年公布偏振數(shù)據(jù)——如果最新的傳言屬實(shí)，時(shí)間會(huì)在今年11月。不過(guò)，“普朗克”的數(shù)據(jù)也并非盡善盡美。如果它觀測(cè)到的溫度漲落源于暴脹，那它們?cè)谒谐叨壬隙紤?yīng)該一樣才對(duì)。但事實(shí)上，較小的尺度上漲落確實(shí)更大。科學(xué)家傾向于使用“張力”來(lái)消除這一異常。這一點(diǎn)或許也站不住腳了?！叭绻阆嘈臖ICEP2的r值，實(shí)際上它會(huì)使得張力項(xiàng)變得更為糟糕，”漢森說(shuō)，“也許我們不得不修改現(xiàn)有的宇宙學(xué)了。”
他的意思是，需要更稀奇古怪的暴脹理論才能夠在不同尺度上產(chǎn)生不同大小的引力波。理論學(xué)家正忙于提出各種理論來(lái)做到這一點(diǎn)。其他人則采取了沒(méi)那么激進(jìn)的路線，他們相信BICEP2可能已檢測(cè)到了原初引力波，隨著更多數(shù)據(jù)的獲得，他們的r值會(huì)變小。
確定正確的r值或許還有助于解決一個(gè)大問(wèn)題：到底是什么驅(qū)動(dòng)了暴脹？不過(guò)，英國(guó)普茲茅斯大學(xué)的理論學(xué)家戴維·萬(wàn)茲（David Wands）認(rèn)為，也可能未必。他說(shuō)：“暴脹避免了我們?cè)谟懻摯蟊〞r(shí)遇到的許多困難。這意味著，我們可以描述宇宙的很多特性，根本不必追溯到大爆炸本身?！?/p>
更糟糕的是：暴脹可以有效地擦除之前的細(xì)節(jié)。那些細(xì)節(jié)要么在指數(shù)膨脹中被直接抹平了，要么被運(yùn)送到了我們看不見(jiàn)的遠(yuǎn)方。暴脹幾乎可以把任何你能夠想象到的開(kāi)端，全都轉(zhuǎn)變成我們現(xiàn)在所看到的宇宙。這意味著，我們甚至都無(wú)法肯定，宇宙大爆炸是否真的發(fā)生過(guò)，或者說(shuō)我們的宇宙是不是從一個(gè)無(wú)限高密度和溫度的奇點(diǎn)開(kāi)始膨脹出來(lái)的。用皮科克的話來(lái)說(shuō)，“大爆炸奇點(diǎn)存在的時(shí)間，可能是這些引力波產(chǎn)生之前10-36秒，也可能是在這之前一萬(wàn)億年。”
也許隱藏在我們視線可見(jiàn)范圍之后的，不僅僅是大爆炸本身。大多數(shù)宇宙學(xué)家和物理學(xué)家相信，要想描述宇宙的起源，我們需要一個(gè)理論，能夠把描述引力的廣義相對(duì)論和描述其他3種自然力的量子力學(xué)統(tǒng)一起來(lái)。只有在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前我們?cè)诹Ｗ蛹铀倨髦兴苓_(dá)到的能量和密度水平之上，量子引力的效應(yīng)才會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。在此之前，我們唯一的希望就在于，來(lái)自早期宇宙的直接觀測(cè)證據(jù)可以幫助我們確定這一理論。
而這可能正是BICEP2結(jié)果的第22條軍規(guī)。按照皮科克的說(shuō)法，確認(rèn)BICEP2的發(fā)現(xiàn)將告訴我們，量子引力理論確實(shí)存在。他解釋說(shuō)：“只有當(dāng)量子力學(xué)能夠施用于引力場(chǎng)，就如同能夠施用于電磁場(chǎng)之類(lèi)的其他場(chǎng)一樣時(shí)，所產(chǎn)生的引力波才會(huì)有這樣的振幅。”不過(guò)，量子引力時(shí)代現(xiàn)在被牢牢地困在毫無(wú)特征的暴脹“帷幕”后面，隔絕了一切直接的宇宙學(xué)檢驗(yàn)。
如果是這樣，那一開(kāi)始的贊嘆就有可能會(huì)變成沮喪的慘叫。皮科克說(shuō)，“現(xiàn)在我們已經(jīng)有證據(jù)證明，量子引力理論必定存在，只是我們看不到任何能夠去探測(cè)它的方式?！?/p>
佩里斯則不這么確定，她認(rèn)為仍有可能發(fā)現(xiàn)一些來(lái)自暴脹之前的東西。“我不會(huì)真正排除有機(jī)會(huì)獲得更進(jìn)一步信息的可能性，”她說(shuō)，“現(xiàn)在仍是暴脹理論的初期階段。也許它還會(huì)有一些更進(jìn)一步的預(yù)言。”
希望如此，否則的話，2014年3月17日或許將被視為是宇宙學(xué)的開(kāi)啟和終結(jié)之日。對(duì)于宇宙如何以及為何起源，如果我們的認(rèn)知確實(shí)存在局限的話，宇宙學(xué)家或許不得不如此安慰自己：畢竟在暴脹壁壘的這一側(cè)，還有足夠多的謎題供我們研究。暗物質(zhì)，暗能量，還有嗎？（編輯：Steed）
編譯自：《新科學(xué)家》，Big bang breakthrough: The dark side of inflation
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