一場沖向宇宙黎明的競賽
Shea 編譯
暴脹是現(xiàn)代宇宙學(xué)的核心。那么，為什么到現(xiàn)在天文學(xué)家還沒有看到它的任何跡象呢？
阿蘭·古斯（Alan Guth）和安德烈·林德（Andrei Linde）在美國麻省理工學(xué)院的報告廳中舉杯歡慶科學(xué)的力量。作為暴脹理論的奠基人，他們曾經(jīng)提出的瘋狂理論，現(xiàn)在有了物理證據(jù)，諾貝爾獎似乎也會接踵而至。2014年3月18日的《紐約時報》頭版報道《空間漣漪為宇宙大爆炸提供強有力證據(jù)》。美國哈佛大學(xué)、斯坦福大學(xué)和世界各地的其他大學(xué)也競相宣布他們的科學(xué)家也參與其中。
在南極，有一架望遠(yuǎn)鏡在宇宙最早的輻射——宇宙微波背景——中發(fā)現(xiàn)了一個明顯的扭曲特征。被稱為B模偏振，它被視為是證明在緊接著宇宙大爆炸之后發(fā)生過暴脹的決定性證據(jù)。這架望遠(yuǎn)鏡被稱為宇宙河外偏振背景成像（BICEP）/凱克陣列。
在該發(fā)現(xiàn)團隊的公告中，團隊成員美國明尼蘇達大學(xué)的克萊姆·普賴克（Clem Pryke）說：“這就像大海撈針，而我們卻發(fā)現(xiàn)了一根撬棍?！?div style="height:15px;">
幾十年來，暴脹一直是一個被廣泛接受的、但仍未被證實的理論。它認(rèn)為在宇宙誕生之后僅一萬億億億億分一秒，我們的宇宙從亞原子的尺度膨脹到了一個柚子的大小。
南極日落中的BICEP（前景）和SPT（背景）。版權(quán)：Steffen Richter (Harvard University)。
麻省理工學(xué)院著名的數(shù)學(xué)家和宇宙學(xué)家馬克斯·泰格馬克（Max Tegmark）那天也在報告廳，他將這個比喻成母親懷著的嬰兒。
“每一天你的大小都會翻倍，如果你在9個月的時間里一直維持這樣的狀態(tài)，那你媽媽肯定就夠受的了，”他說，“對于宇宙也是一樣?！?div style="height:15px;">
暴脹理論中不可思議的超光速膨脹才是真正的“爆炸”。（泰格馬克更喜歡把大爆炸本身看作是規(guī)模更小的“爆炸”。）暴脹為接下去138億多年的宇宙演化提供了可能，從夸克到原子、恒星和行星——甚至生命。
舉杯相慶的宇宙學(xué)家古斯和林德正是率先提出存在這一暴脹時期的科學(xué)家。1979年，它脫胎于優(yōu)美的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)時古斯提出該模型是為了解釋奇異的磁單極粒子的缺失，它們本應(yīng)在大爆炸中被創(chuàng)造出來。古斯發(fā)現(xiàn)，我們的宇宙并非是缺少單極子，它們只是被暴脹的高速膨脹稀釋了。
但暴脹能做的遠(yuǎn)不止于此。正如古斯所喜歡指出的，宇宙大爆炸其實根本就不是一個真正的有關(guān)爆炸的理論。它所描述的是爆炸的后果，不涉及導(dǎo)致大爆炸的物理機制，也無法回答是什么以及為什么發(fā)生了爆炸。
古斯花了半年的時間來研究這個問題，直到在一個漫長的夜晚，他構(gòu)想出了一種“壯觀的實現(xiàn)”。
古斯的理論在描述這個爆炸上非常特別。它認(rèn)為，在一開始的時候時空具有負(fù)壓強，表現(xiàn)為可以對抗引力的斥力。在短暫的瞬間，這個斥力發(fā)威，驅(qū)動空間在很短的時間內(nèi)發(fā)生指數(shù)式的膨脹，其膨脹速度甚至可以超過光速。
然而，光有古斯的暴脹還不夠。它并不能使得宇宙繼續(xù)膨脹成我們現(xiàn)在所看到的樣子。他的暴脹模型會把宇宙變成一個由碰撞和融合的泡泡所組成的無窮混合體。暴脹需要林德的幫助。古斯的模型包括了所有的宇宙，但1981年林德計算發(fā)現(xiàn)在任何一個地點都會發(fā)生膨脹。他的暴脹理論被稱為混沌暴脹，把我們的宇宙變成無窮的多重宇宙中的一個。
35年來，暴脹已占據(jù)了宇宙學(xué)的核心位置，因為它可以解釋一個又一個的有趣問題。相比其他任何的理論，暴脹能更好的解釋為什么空間是平直的以及宇宙中相距遙遠(yuǎn)的地方是如何相聯(lián)的。根據(jù)暴脹理論，計算機模擬可以重建出宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)。
總之，沒有暴脹理論將會是物理學(xué)的一大損失。沒有暴脹，標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)標(biāo)型就沒有了它的起點。
BICEP（左）和SPT（右）的俯視圖
塵埃落定
但是，該怎么去檢驗如此大膽的一個理論？理論家預(yù)測，其指數(shù)式的膨脹會以引力波的形式留下明顯的印記，而這些引力波會扭曲光線，在宇宙微波背景輻射中產(chǎn)生B模偏振信號。
然而，盡管古斯和林德在慶祝BICEP的結(jié)果，但對這一B模發(fā)現(xiàn)的質(zhì)疑也開始在學(xué)術(shù)界悄然發(fā)酵。一些理論家指出，觀測到的偏振信號比預(yù)期的強太多。其他人則質(zhì)疑該團隊在沒有經(jīng)過同行評議就先召開新聞發(fā)布會宣布結(jié)果的做法。
“很快，質(zhì)疑都集中到了BICEP團隊分辨宇宙微波背景和塵埃的能力上，”美國加州大學(xué)伯克利分校的天文學(xué)家馬丁·懷特（Martin White）說，他也是參與歐洲空間局普朗克任務(wù)的科學(xué)家。這一懷疑被證明是有理有據(jù)的。普朗克探測器測量了天空中較BICEP所觀測的更大得多的區(qū)域，但分辨率較低。它的最終結(jié)果顯示，BICEP所探測到的大部分信號都受到了來自我們銀河系中前景塵埃的干擾。不幸的是，這些干擾信號幾乎遍布整個天空。
現(xiàn)在，距離國際媒體頭條新聞宣布這些引力波的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)過去了2年，科學(xué)家也已經(jīng)確信BICEP看到的是塵?！⒎潜┟洝５?，就這些信號中還有什么目前仍不確定。來自時間之初的B模信號是不是有可能隱藏在其中呢？
一場尋找暴脹首個證據(jù)的競賽正在不斷升溫。眼下至少有8臺儀器正在搜尋大爆炸的這些細(xì)語。為了要找到它們，宇宙學(xué)家們首先要破除掉一切的干擾。
位于智利沙漠中的阿塔卡馬宇宙學(xué)望遠(yuǎn)鏡。版權(quán)：M. Devlin
宇宙大爆炸仍在燃燒的余燼
BICEP并不??是第一個因宇宙微波背景的信號而感到沮喪的團隊。1964年，美國貝爾實驗室的科學(xué)家阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）在使用位于新澤西的高靈敏度喇叭天線做射電天文學(xué)研究時，他們發(fā)現(xiàn)在天空中有一個揮之不去的微小噪聲。
兩人最終排除了它來自地球、太陽甚至是我們自己的銀河系。這個噪聲來自四面八方。
他們不知道的是，就在距離他們不遠(yuǎn)的普林斯頓，以羅伯特·迪克（Robert Dicke）為首的一組天體物理學(xué)家正在準(zhǔn)備去搜尋彭齊亞斯和威爾遜所發(fā)現(xiàn)的這一信號。雖然自從維斯托·斯里弗（Vesto Slipher）和埃德·溫哈勃（Edwin Hubble）的觀測證明宇宙在膨脹已經(jīng)過去了幾十年，但有關(guān)宇宙大爆炸的辯論卻仍在激烈進行中。只要把宇宙膨脹反過來推演，天文學(xué)家就會發(fā)現(xiàn)到整個宇宙都融合于一點。
如此前其他人所做的，迪克的小組認(rèn)為，當(dāng)大爆炸開啟這一膨脹時，它必定會把微波輻射播撒遍整個宇宙。令人難以置信的是，他們所預(yù)言的輻射與喇叭天線所探測到神秘信號非常吻合。兩個小組同時發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。彭齊亞斯和威爾遜偶然發(fā)現(xiàn)的信號為他們摘得了1978年的諾貝爾獎。而現(xiàn)在，宇宙微波背景輻射也成為了大爆炸宇宙學(xué)的堅強支柱。
從那以后幾十年來，我們已經(jīng)很清楚地知道宇宙微波背景輻射充滿了整個宇宙，存在于所有的方向上，它們的亮度也大致相同。
宇宙微波背景中的光子是宇宙在大爆炸之后38萬年變得透明時所留下的遺跡，當(dāng)時的宇宙已經(jīng)冷卻到約3 000開。在這之前，宇宙是一鍋過于濃稠的粒子湯，自由電子和質(zhì)子無法結(jié)合形成宇宙中最主要的成分——氫。
宇宙學(xué)家稱之為復(fù)合時期，它使得光子可以自由地在太空中穿行。因此，天文學(xué)家看到的每個宇宙微波背景光子都來自于近138億年前它們和電子發(fā)生最后一次散射的地方。美國宇航局戈達德空間飛行中心的宇宙學(xué)家、2006年諾貝爾獎得主約翰·馬瑟（John Mather）說：“宇宙微波背景亮度的分布圖所顯示的是從每一個方向于現(xiàn)在抵達我們的輻射。如果你再等上10億年，仍然會有輻射從各個方向源源不斷地到來?！?div style="height:15px;">
但微小的量子漲落——變化幅度在十萬分之一的水平上——會引入新的密度起伏。引力會把越來越多的物質(zhì)吸引到稠密的區(qū)域中。它們是將來形成星系和星系團的“種子”，也在宇宙微波背景中留下了斑斑點點。
自彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景起，天文學(xué)家就已經(jīng)知道，當(dāng)其中的光子穿行于宇宙中時，位于其進行路線上的物質(zhì)，例如宇宙歷史早期的大尺度結(jié)構(gòu)，會使得其具有“各向異性”——宇宙微波背景中微小的溫度差異。在飛往地球的過程中，宇宙微波背景光子在這些結(jié)構(gòu)中逗留的時間越長，它的溫度看上去就越低。這一溫差讓天文學(xué)家能以一種全新的方式來研究宇宙，揭示了它的演化。
光以波的形式傳播，就像在大洋表面運動的水。如果它們在某個特定的方向上發(fā)生振蕩，這些波就具有了偏振。例如，水波會上下振蕩。當(dāng)?shù)厍虼髿庵械牧Ｗ臃瓷潢柟鈺r，地球的藍天也就有了偏振。
1996年，斯洛文尼亞的理論宇宙學(xué)家、現(xiàn)美國加州大學(xué)伯克利分校教授烏羅什·塞利亞克（Uros Seljak）在尋找新的方法來從宇宙微波背景中提取信息，他懷疑其中還隱藏著秘密。
與由星系所產(chǎn)生的大尺度顯著影響不同，塞利亞克想要尋找宇宙微波背景中的小尺度扭曲。他提出，如果暴脹確實發(fā)生了的話，那么在劇烈的膨脹階段會形成大量的引力波，隨后它們會傳遍整個宇宙。這些引力波也會扭曲宇宙微波背景中的光，產(chǎn)生一個標(biāo)志性的旋渦形狀。如果在天空中觀測到了這一現(xiàn)象，就能為暴脹提供物理證據(jù)。
“實驗物理學(xué)家非常迅速地就抓住了這個想法，”他說，“當(dāng)然，他們目前還沒有足夠的敏感度來看到它，而為了達到現(xiàn)在的靈敏度則差不多花了近20年的時間?！?div style="height:15px;">
