專家解讀原初引力波重大發現:聽到宇宙初創脈動

吳月輝

2014年03月20日07:24來源：人民網-人民日報

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原標題：聽到宇宙初創時的脈動

　　北京時間3月18日凌晨，來自美國哈佛大學史密森天體物理中心的科學家宣布，他們發現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。

　　美國航空航天局（NASA）稱，這是迄今為止，證明宇宙暴漲理論最有力的證據。這一重大發現一旦證實，將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。

　　這一實驗的原理是什麼？這一重大發現有何意義，它又會對理論物理研究產生哪些影響？我們國家在該領域的研究水平如何？本報記者就這些問題採訪了相關專家。

　　原初引力波留下的獨特印記，傳遞宇宙極早期的物理信息

　　據介紹，美國哈佛史密森天體物理學中心等機構的研究人員利用位於南極的BICEP2望遠鏡，對宇宙大爆炸的「餘燼」——微波背景輻射進行觀測。宇宙微波背景輻射的光子因為與電子發射散射而具有偏振性，新研究尋找的是一種叫作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。南極是地球上觀測微波背景輻射的最佳地點之一，研究人員在這裡意外發現了比「預想的強烈得多」的B模式偏振信號。

　　研究人員經過3年多的分析，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。

　　「探測到與原初引力波相關的B模式偏振信號，是對暴漲理論的重要檢驗。」北京大學物理學院教授范祖輝說。

　　宇宙是如何形成的？這一問題一直備受關注。

　　1932年，比利時牧師兼物理學家喬治·勒梅特首次提出現代宇宙大爆炸理論，認為宇宙由大約140億年前發生的大爆炸形成。但大爆炸理論並沒有與所有天文觀測結果相吻合。為解釋疑點，半個世紀後，麻省理工學院科學家阿蘭·古斯等人提出「宇宙暴漲理論」，認為宇宙大爆炸後的極短暫時期內，曾經歷過一個急劇快速膨脹的階段，這就是「暴漲」。

　　「原初引力波會在微波背景輻射中留下痕迹，產生所謂的B模式偏振。」中科院高能物理研究所研究員夏俊卿說。

　　「B模式偏振的特點是會形成旋渦，可以說是原初引力波留下的獨特印記。這一信號就如同信使，能將宇宙極早期的物理信息傳遞給我們。因此，探測到微波輻射中與原初引力波相關的B模式偏振信號，無疑是對暴漲理論的重要檢驗。」范祖輝說。

　　一直以來，測量宇宙微波背景輻射（CMB）是宇宙學研究領域最重要的研究方向。1989年，美國的COBE衛星最先發現了CMB的溫度漲落各向異性，這一成果獲得了2006年的諾貝爾獎；2002年，位於南極的DASI探測到了CMB的E模式極化信息。但是原初引力波的信號一直沒有被觀測到。

　　在天體物理學家看來，此次觀測到的結果一旦被確認，將成為暴漲理論的首個直接觀測證據。

　　是廣義相對論的又一有力證據，宇宙學研究將進入新階段

　　「原初引力波的發現，是廣義相對論的又一有力證據。」中科院高能物理所研究員張新民說，「之前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得證實。唯有原初引力波因信號極其微弱，很難測量，而一直徘徊在天文學家『視線』之外。」

　　科學家普遍認為，這一發現打開了觀測宇宙的一扇新窗戶。

　　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·克勞斯表示，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後僅僅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。

　　夏俊卿認為，宇宙學研究，特別是宇宙微波背景輻射領域的研究，也將進入新的階段。「這一發現將極大鼓舞科學家的士氣，並促進相關國家進一步加大科研經費和人力資源投入。」

　　「探測原初引力波信號也會對宇宙早期的暴漲模型進行限制，因為理論上暴漲模型有很多種，新結果如果被確認是正確的，很多暴漲模型都會被排除。」范祖輝說。

　　一些物理學家認為，這是一項諾貝爾獎級別的發現。勞倫斯·克勞斯在接受新華社記者採訪時說，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現之列」。

　　數據結果仍待驗證，我國相關領域研究還處於起步階段

　　「對於一個重大發現，一定要小心謹慎。」張新民說。

　　「這個發現也需要其他實驗的證實。多年來，全球多個天文台都在尋找原初引力波，包括歐洲空間局普朗克衛星、智利北部的『時空波動』望遠鏡。目前這方面很快能驗證這個結果的是普朗克衛星，估計再有幾個月他們也會公布類似的數據。」張新民說。

　　夏俊卿正是普朗克探測器低頻組的核心成員，他告訴記者，在這個新結果之前，普朗克衛星項目在去年公布了第一期的觀測結果，結果顯示與史密森天體物理中心的這個新結果有些不太一致。

　　「普朗克項目預計在今年6月會公布第二期的觀測結果，新結果中會包含和BICEP實驗類似的信息，這對於確認實驗結果很重要。」夏俊卿說。

　　專家們普遍認為，探測到引力波後，科學家接下來將進一步更細緻地研究引力波的性質以及由此帶來的對宇宙的新認識。

　　「我國在宇宙微波背景輻射領域的研究還處於起步階段，但是也一直在做一些有特色的工作。比如我和夏俊卿研究員等人在2006年提出利用CMB的極化數據檢驗CPT對稱性，這一工作已經被目前的CMB實驗組所認可，他們都會在實驗數據分析中用我們的方法。比如這次BICEP實驗組就是基於我們的工作，提出了新的實驗校準辦法，提高了實驗精度。」張新民說。

　　據張新民介紹，中國科學家目前正在和法國等國家合作，在南極建造望遠鏡來測量CMB，高精度的測量極化B模式。

　　原初引力波（延伸閱讀）

　　現代宇宙學理論認為，宇宙大爆炸之後在很短的時間裡經歷了一次暴漲階段，宇宙的尺度發生了劇烈膨脹，時空拉伸而產生了引力波。原初引力波的發現，是廣義相對論的又一有力證據。

延伸閱讀:

(責編：歐興榮、熊旭)
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