阿爾伯特·愛因斯坦

弗雷德·霍伊爾

仰望浩渺的星空，人們總是要問：宇宙從何而來？3月17日，美國天文學家宣布，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，這一具有里程碑意義的重大發現，有望幫助弄清宇宙誕生之謎，破解“世紀懸案”。

據悉，原初引力波是愛因斯坦于1916年發表的廣義相對論中提出的，它是宇宙誕生之初產生的一種時空波動，隨著宇宙的演化而被削弱。科學界目前普遍認為，宇宙誕生于距今約140億年前的一次“大爆炸”。在大爆炸之后不到1秒鐘的原初時刻，宇宙曾在極短時間內經歷了速度快到無法想象的急劇膨脹，這一過程稱為“暴漲”。科學家說，原初引力波將可以幫助人們追溯到宇宙創生之初的一段極其短暫的暴漲過程。然而，廣義相對論提出近百年來，源于它的其他重要預言，如光線的彎曲、水星的近日點進動，以及引力紅移效應等都被一一證實，而引力波卻始終未被直接探測到，問題就在于其信號極其微弱，技術上很難測量，因此也有人將之戲稱為“世紀懸案”與“宇宙中最大的徒勞無益之事”。

為驗證暴漲理論，美國哈佛－史密森天體物理學中心等機構研究人員，利用位于南極的BICEP2望遠鏡，對宇宙大爆炸的“余燼”——微波背景輻射進行觀測。微波背景輻射是一種均勻散落在宇宙空間中的微弱電磁波，它如同埋藏在宇宙深處的“化石”，記錄著早期宇宙的許多信息。微波背景輻射中的微波因為被原子和電子散射而具有偏振性，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”。研究人員說，他們意外發現了比“預想的強烈得多”的B模式偏振信號，隨后經過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。研究共同作者、明尼蘇達大學的克萊姆·普賴克說：“這就好像要在草堆里找一根針，結果我們找到了一根鐵撬棍。”這一發現意味著宇宙暴漲理論獲得迄今最有力的證據，并將幫助人們更詳細地了解暴漲的過程。

一些物理學家認為，愛因斯坦于1916年提出的廣義相對論預言了原初引力波的存在，但科學界此前一直沒有找到這種波存在的證據，新發現也意味著廣義相對論的勝利，這是一項諾貝爾獎級別的發現。美國亞利桑那州立大學理論物理學家勞倫斯·克勞斯說，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”，有望獲得諾貝爾獎。（本報華盛頓3月18日電 本報駐華盛頓記者 王傳軍）

延伸閱讀

何為宇宙大爆炸？

● 大爆炸是描述宇宙誕生初始條件及其后續演化的宇宙學模型，這一模型得到了當今科學研究和觀測最廣泛且最精確的支持。宇宙學家通常所指的大爆炸觀點為：宇宙是在過去有限的時間之前，由一個密度極大且溫度極高的太初狀態演變而來的（根據2013年普朗克衛星所得到的最佳觀測結果，宇宙大爆炸距今137.98±0.37億年），并經過不斷膨脹到達今天的狀態。

● 大爆炸這一模型的框架基于愛因斯坦的廣義相對論，又在場方程的求解上作出了一定的簡化。1922年，蘇聯物理學家亞歷山大·弗里德曼用廣義相對論描述了流體，從而給出了這一模型的場方程。1929年，美國物理學家埃德溫·哈勃通過觀測發現并推導出了膨脹宇宙的觀點。1927年，勒梅特通過求解弗里德曼方程在理論上提出了同樣的觀點，這個解后來被稱作弗里德曼－勒梅特－羅伯遜－沃爾克度規。

● 大爆炸一詞首先是由英國天文學家弗雷德·霍伊爾所采用的。他在1949年3月BBC的一次廣播節目中將勒梅特等人的理論稱作“這個大爆炸的觀點”。1964年發現的宇宙微波背景輻射是支持大爆炸確實發生的重要證據，特別是當測得其頻譜從而繪制出它的黑體輻射曲線之后，大多數科學家都開始相信大爆炸理論了。（陳茵、徐暢整理 本文圖片均為資料圖片）

原初引力波發現的四大意義

1、填補了廣義相對論實驗驗證的最后一塊缺失的拼圖

愛因斯坦1916年發表的廣義相對論預言了宇宙誕生之初產生的一種時空波動——原初引力波的存在。過去近百年中，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證實，唯有原初引力波因信號極其微弱，技術上很難測量，而一直徘徊在天文學家“視線”之外。劍橋大學博士、加拿大不列顛哥倫比亞大學的“CITA國家研究員”馬寅哲認為，原初引力波的發現是支持廣義相對論的又一有力證據，相對論所預言的所有實驗現象全部被驗證，實驗與理論符合得都很好。

2、打開了觀測宇宙的一扇新窗戶

在天文學幾百年來的發展過程中，人們觀測宇宙的主要手段是觀測光，也就是說幾乎所有天文實驗都是在收集光子。而根據標準宇宙大爆炸理論，大爆炸之后約40萬年，光子、電子及其他粒子混在一起，宇宙處于晦暗的迷霧狀態，光無法穿透。而引力波則不同，它誕生在宇宙大爆炸之初并以光速傳播。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·克勞斯認為，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后僅僅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。

3、有助于真正理解宇宙大爆炸原初時刻的物理過程

根據20世紀80年代逐漸發展起來的暴漲理論，約140億年前，在大爆炸之后10的負35方秒的時間里，宇宙以指數速度急劇膨脹，即所謂“暴漲過程”。原初引力波忠實記錄了暴漲時期的物理過程。馬寅哲告訴記者，現在關于大爆炸原初時刻的理論模型有數百個，但“到底哪個對，還是都不對，在今天之前是不清楚的。但如果（美國科學家的）結果是真的，那么很多理論模型會被排除”。

4、意味著對宇宙微波背景輻射的測量將會進入下一個重要里程碑

宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸的“余燼”，是一種彌漫在整個宇宙空間中的微弱電磁波信號。過去幾十年中，人們測量微波背景輻射，其實主要測量的是溫度場的信息，卻一直沒有測量到引力波的獨特印記——B模式偏振。目前，全球多個小組在探測引力波，新發現無疑將極大鼓舞他們的士氣，并促進有關國家進一步加大科研經費和人力資源投入。(據新華社華盛頓3月17日電 記者林小春）