證實暴脹，順手終結宇宙學？

如果關於宇宙暴脹的觀測證據得以證實，大爆炸宇宙學無疑將大獲全勝。不過，這可能同時意味著，我們無法再更進一步，去探究大爆炸本身的線索。圖片來源：《新科學家》

（文/ Stuart Clark）在道格拉斯·亞當斯（Douglas Adams）所著的《宇宙盡頭的餐館》中，客人們會在早餐前經歷6件不可能的事情。而在過去的十幾年裡，宇宙學家似乎已經完成任務過半了。

發現一：暗物質。星系自轉的速度超出了發光物質的引力所能掌控的程度，因此宇宙中80%以上的物質，必定以一種迄今尚未被我們看見和探測到的方式存在著。

發現二：暗能量。出乎所有人的意料，宇宙膨脹正在加速，因此普通物質和暗物質向內拉扯的引力，被另一種沒有人確切知道是什麼的奇特成分擊敗了。

發現三：暴脹。有了這一切，宇宙看起來仍比我們預期的要平滑許多，所以宇宙必定在誕生後的最早期，被自然發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。所以，2014年3年，當BICEP2望遠鏡團隊發現了這「三大怪」其中之一的證據時，你幾乎可以感覺到，整個學術界長舒了一口氣（參見《我們看到了宇宙誕生的最初瞬間》）。他們在宇宙微波背景輻射中探測到的獨特光偏振模式，實際上是一石二鳥——既是宇宙暴脹明白無誤的證據，又為在暴脹的同一時期存在引力波提供了間接證據。要知道，迄今為止，引力波仍是一種理論上預言的現象，還從未被直接探測到過。

如果這一結果得到最終確認，將會極其令人興奮。宇宙學家將可以甄別琳琅滿目的暴脹理論，真正了解宇宙歷史最初的時刻。

不過，在舉杯歡慶的人群中，也有清醒的頭腦。對這一結果的其他獨立證認自然最為重要，但除此之外，也還有更為寬泛的考慮。「雖然這是一次歷史性的進步，但它仍有自己的局限性，」英國愛丁堡皇家天文台的宇宙學家約翰·皮科克（John Peacock）說，「現在我們已經能以最大的可見程度來回溯時間了，但依然無法企及宇宙最初的時刻。」目前，對於緊挨著大爆炸的瞬間，我們或許有了比以往更好的認識，但問題在於，對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80年代，它的問世是為了解釋為什麼宇宙的整體溫度和密度要比理論預言的均勻許多。在大爆炸那一刻，時空自身被擠壓在一起，就像一張被團起來的紙。就算讓它膨脹到目前可觀測宇宙的大小，也不足以抹去所有的摺痕。

然而，劇烈的暴脹則可以拉平這團紙。它的基本思想是，在宇宙的最初瞬間，真空本身蘊藏了巨大的能量。量子漲落使得真空振蕩，進而開始逐漸注入這一能量，蔓延至整個嬰兒期的宇宙。這會驅動宇宙發生指數式的膨脹，在短短的10^-36秒的時間裡，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。結果便是形成了一個沒有結構且平坦的時空，在這之後恆星和星系才開始形成。

這個過程也產生了BICEP2團隊所觀測的宇宙微波背景輻射。這些最古老的光線充滿了整個宇宙空間，一開始受困在早期宇宙超高密度的物質當中。大約38萬年後，當宇宙冷卻到足以形成第一個原子時，它們終於被釋放了出來，能夠在宇宙各個方向上自由傳播。

138億年以來，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，事情看上去就會頗為不同。緊盯天空中的某一片區域，BICEP2望遠鏡觀測到了暴脹在宇宙微波背景中留下的印跡，被稱為B模式偏振。

這些印跡源於愛因斯坦的廣義相對論，該理論描述了物質和能量如何使得空間和時間發生彎曲。於是，驅動暴脹的量子漲落也會使得時空跟著一起漲落，產生時空漣漪，被稱為原初引力波。

當且僅當發生暴脹時，原本極其微弱的引力波才會被急劇放大。這些被放大的引力波貫穿宇宙，扭轉宇宙微波背景輻射中的光子，產生B模式偏振。宇宙極早期中的一個瞬間由此變成了遍布整個天空的特徵，這就像把一幅圖像放大到極致，而你所能看到的，不過是一塊一塊的像素而已。

2014年3月17日，BICEP2團隊在美國哈佛大學史密松天體物理中心宣布了這一發現。英國倫敦大學學院的宇宙學家希蘭亞·佩里斯（Hiranya Peiris）說：「探測到原初引力，是最接近證明我們曾經歷過暴脹的一步。」

BICEP2實驗中發現的微小的渦旋漲落，這是原初引力波在微波背景輻射中留下的印跡。圖片來源：哈佛－史密松天體物理中心向後的巨大飛躍

這一發現的潛在影響是巨大的。沒有參與此項工作的皮科克指出，宇宙微波背景被釋放的時候，宇宙的大小不足現在的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。「這是向前邁進了一大步，」他說，「假如得到證實，我認為這必定是我有生之年裡最大的科學進展。」

前提是，假如得到證實。這樣一個潛在的突破迫切地需要佐證，因為凡事並非都像一加一等於二那麼簡單。BICEP2的結果暗示，原初引力波的大小——用r值來表徵——遠超任何人的預期。加拿大麥吉爾大學的鄧肯·漢森（Duncan Hanson）參與了南極望遠鏡項目，該望遠鏡就設在BICEP2的旁邊，正在補充對宇宙微波背景的觀測。漢森說：「測量出的r值讓人有點吃驚，因為我們曾經認為，這麼大的r值已經被排除了。」他強調，「某種形式的確認絕對是必需的。」

這一結果也與歐洲空間局普朗克衛星於2013年3月公布的數據相衝突。在BICEP2僅觀測一小部分宇宙微波背景的同時，「普朗克」花了4年半的時間，以前所未有的精度，對整個天空中的宇宙微波背景進行了觀測。

暴脹抹平了宇宙微波背景的溫度，但產生原初引力波的量子漲落也會令微波背景的溫度發生微小的起伏。其他的效應也可以產生類似的結果，所以溫度漲落本身並不足以證明暴脹。但如果假設這一變化全部由暴脹產生，便可以由此計算出原初引力波r值的上限。根據「普朗克」的數據，r值不應該大於0.11；BICEP2給出的結果是這一數值的2倍。

對於這一矛盾，最簡單同時也最尷尬的解釋是，BICEP2的數據分析存在問題。毫無疑問，在數據分析的過程中存在無數陷阱。最重要的是，除了源於暴脹的原初引力波之外，還有其他東西也可以產生B模式偏振信號。在宇宙微波背景被釋放出來之後，星系團的引力能夠扭轉光子，被束縛在銀河系磁場中的塵埃顆粒也能做到這一點。有人已經提出，或許來自於超新星爆發的塵埃顆粒導致了這一結果。

只觀測一小片天空，遠離銀河系的銀道面和任何大型的星系團，可以減少這些干擾——BICEP2正是這樣做的。但參與了「普朗克」項目的佩里斯對此仍有顧慮。她說：「我對他們的結果感到很驚訝。這簡直就是50年一遇的重大發現，不是嗎？但是，作為一名科學家，我不得不對此表示懷疑。」

她擔心，BICEP2的數據分析僅用了一條由多個軟體構成的「流水線」。「普朗克」至少使用了2條，有時甚至多達5條獨立的流水線，來降低因未知的程序問題導致錯誤結果的幾率。佩里斯說：「為了驗證BICEP2的結果，需要不同天區的不同數據，以及一條不同的數據處理流水線。」

通過開發第二條數據處理流水線，BICEP2自己就能做到這一點。其他的地面望遠鏡也可以提供獨立的檢驗，其中包括漢森的南極望遠鏡和位於智利的「北極熊」（Polarbear）實驗。它們的團隊正在梳理各自的數據，或者計劃新的觀測來證實或者反駁BICEP2的結果。不出所料，它們目前還沒準備好發表評論。

設在南極點附近的BICEP望遠鏡（左側建築屋屋頂上）和南極望遠鏡（右側建築）。圖片來源：哈佛大學

最沉重的打擊依然來自於「普朗克」。它的全天觀測結果把任何局部特徵都限制在了很小的範圍之內。更重要的是，它採集了9個微波波段的數據。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，因為塵埃顆粒對微波的散射會隨著波長而變化。

2013年，「普朗克」團隊發布全天溫度圖時，他們承諾將在2014年公布偏振數據——如果最新的傳言屬實，時間會在今年11月。不過，「普朗克」的數據也並非盡善盡美。如果它觀測到的溫度漲落源於暴脹，那它們在所有尺度上都應該一樣才對。但事實上，較小的尺度上漲落確實更大。科學家傾向於使用「張力」來消除這一異常。這一點或許也站不住腳了。「如果你相信BICEP2的r值，實際上它會使得張力項變得更為糟糕，」漢森說，「也許我們不得不修改現有的宇宙學了。」

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生不同大小的引力波。理論學家正忙於提出各種理論來做到這一點。其他人則採取了沒那麼激進的路線，他們相信BICEP2可能已檢測到了原初引力波，隨著更多數據的獲得，他們的r值會變小。

確定正確的r值或許還有助於解決一個大問題：到底是什麼驅動了暴脹？不過，英國普茲茅斯大學的理論學家戴維·萬茲（David Wands）認為，也可能未必。他說：「暴脹避免了我們在討論大爆炸時遇到的許多困難。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。」

更糟糕的是：暴脹可以有效地擦除之前的細節。那些細節要麼在指數膨脹中被直接抹平了，要麼被運送到了我們看不見的遠方。暴脹幾乎可以把任何你能夠想像到的開端，全都轉變成我們現在所看到的宇宙。這意味著，我們甚至都無法肯定，宇宙大爆炸是否真的發生過，或者說我們的宇宙是不是從一個無限高密度和溫度的奇點開始膨脹出來的。用皮科克的話來說，「大爆炸奇點存在的時間，可能是這些引力波產生之前10^-36秒，也可能是在這之前一萬億年。」

證實暴脹確實令人興奮，但這也可能意味著，暴脹抹平了之前的所有細節，讓我們無法透過暴脹的「黑幕」，探測更早之前的宇宙大爆炸本身。圖片來源：《新科學家》受困於過去

也許隱藏在我們視線可見範圍之後的，不僅僅是大爆炸本身。大多數宇宙學家和物理學家相信，要想描述宇宙的起源，我們需要一個理論，能夠把描述引力的廣義相對論和描述其他3種自然力的量子力學統一起來。只有在遠遠超過目前我們在粒子加速器中所能達到的能量和密度水平之上，量子引力的效應才會顯現出來。在此之前，我們唯一的希望就在於，來自早期宇宙的直接觀測證據可以幫助我們確定這一理論。

而這可能正是BICEP2結果的第22條軍規。按照皮科克的說法，確認BICEP2的發現將告訴我們，量子引力理論確實存在。他解釋說：「只有當量子力學能夠施用於引力場，就如同能夠施用於電磁場之類的其他場一樣時，所產生的引力波才會有這樣的振幅。」不過，量子引力時代現在被牢牢地困在毫無特徵的暴脹「帷幕」後面，隔絕了一切直接的宇宙學檢驗。

如果是這樣，那一開始的讚歎就有可能會變成沮喪的慘叫。皮科克說，「現在我們已經有證據證明，量子引力理論必定存在，只是我們看不到任何能夠去探測它的方式。」

佩里斯則不這麼確定，她認為仍有可能發現一些來自暴脹之前的東西。「我不會真正排除有機會獲得更進一步信息的可能性，」她說，「現在仍是暴脹理論的初期階段。也許它還會有一些更進一步的預言。」

希望如此，否則的話，2014年3月17日或許將被視為是宇宙學的開啟和終結之日。對於宇宙如何以及為何起源，如果我們的認知確實存在局限的話，宇宙學家或許不得不如此安慰自己：畢竟在暴脹壁壘的這一側，還有足夠多的謎題供我們研究。暗物質，暗能量，還有嗎？（編輯：Steed）

編譯自：《新科學家》，Big bang breakthrough: The dark side of inflation

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