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李劍龍:原初引力波的發現及來龍去脈

2014-03-24 來源:南方周未 作者:李劍龍 字號:

科學家在微波背景輻射中找到了極早期宇宙產生的原初引力波的痕跡。如果說微波背景輻射是宇宙大爆炸的回聲,那么這種痕跡便是暴漲的回聲。這一次,科學家證實了大爆炸中的爆炸,因為他們捕捉到了回聲中的回聲。

科學家通過架設在南極的天文望遠鏡BICEP2 發現了極早期宇宙產生的原初引力波的痕跡。

2014年3月18日凌晨(北京時間),哈佛大學史密松天體物理中心的約翰·科瓦奇(John Kovac)博士宣布,他所領導的射電天文學團隊發現了來自宇宙大爆炸的引力波證據??仆咂娴膱F隊從隱藏在宇宙微波背景輻射(CMB)中的信息獲得了這一結果。他們使用的是一臺架設在南極的天文望遠鏡BICEP2。

科瓦奇團隊對微波背景輻射中的偏振信號(像光線中存在偏振現象一樣)進行了研究,他們得到一張獨特的偏振圖,形狀就像撒在平面上的鐵粉在磁場的影響下略微呈現出渦旋狀的形態??茖W家認為,這是極早期宇宙在快速膨脹(即暴漲)中產生的引力波擴散的證據。

劍橋大學物理學博士苗千曾經以李白的詩句“煙濤微茫信難求”來比喻引力波觀測實驗的困難程度,在哈佛大學史密松天體物理中心的發布會之后,李白的另一句詩“云霓明滅或可睹”則成為科學家信心大增的最貼切寫照。

相對論的副產品

在牛頓的萬有引力定律中,引力波并沒有立足之地。1915年愛因斯坦提出廣義相對論之后,引力波——這種時空框架本身的擾動——才成為“合法”的科學名詞。愛因斯坦的理論拋棄了牛頓的絕對時空觀,代以一種富有彈性、變化多端的時空結構。如果你把宇宙時空看作一組彈性材料搭建的巨型腳手架,任何物質和能量都可以將它附近的腳手架壓彎變形。如果這種變形來得劇烈而突然,你就會看到形變像地震波一樣朝著四面八方傳遍整個腳手架,這就是引力波,它的傳播速度等于光速。

就像愛因斯坦對宇宙膨脹和黑洞持保守態度一樣,他最初對引力波也是堅決反對。1936年,愛因斯坦和他的年輕助手羅森發現了廣義相對論方程組一個圓柱形的宇宙解。這種宇宙不代表我們真實的宇宙,僅僅用于研究廣義相對論的特性。他們發現,雖然這種宇宙中空無一物,但卻充滿了時空幾何的漣漪。起初他們錯誤地認為,這種漣漪不過是選擇坐標系時人為產生的數學幻象。這就好比你在一張平展的白紙上畫上一條條彎曲的網格,從遠處看,白紙像是產生了凸起和凹陷,但這并不能說明白紙真的發生了形變。

愛因斯坦和羅森把論文提交給美國期刊《物理評論》,沒過多久,他們就收到了匿名審稿人的拒信,因為審稿人認為引力波是真實存在的。由于當時的歐洲并不流行這種審稿機制,愛因斯坦十分沮喪,還回信給期刊編輯說:“我認為沒有必要回應您那位匿名專家的意見(本來就是錯誤的)。鑒于此,我寧愿選擇在別的地方發表這篇文章。”幸好,愛因斯坦不久之后就被這位匿名審稿人——美國物理學家羅伯特遜說服了,并趕在論文在“別的地方”發表前做了修改,還誠實地感謝了他的“同行羅伯特遜教授在澄清原文中的錯誤時給予的親切幫助”。

并非數學幻象

1957年,美國物理學家費曼就引力波的真實性給出了一種直觀解釋:如果引力波沿著垂直方向經過一根粗糙的棍子,附著在棍子表面的水珠(由于存在摩擦力,它們叫作“粘性水珠”)就會前后移動。水珠移動時會摩擦生熱,溫度就會升高。這說明引力波就是熱源,因而必然攜帶能量。所以,引力波并不是數學幻象。

費曼的解釋是直接探測引力波的一種標準方法。當引力波以一定方向經過架設好的引力波天線時,天線的長度就會發生些許改變。但是引力比電磁力微弱得多。想象一下,你上樓梯的時候可以利用電磁力(肌肉的生化反應)輕松抵抗整個地球施加在你身上的引力。如果想要用現有的技術直接探測引力波,我們必須期待宇宙中的中子星或黑洞發生劇烈碰撞。即便如此,引力波經過長途跋涉傳播到地球上之后,也只能讓數千米天線的長度發生相當于原子直徑的一億分之一的改變。與周圍的噪聲相比,這種信號太小了。物理學家從未以這種方式直接觀測到引力波,正所謂“煙濤微茫信難求”。

2003年,為了精確檢驗愛因斯坦的廣義相對論,澳大利亞帕克斯天文臺的射電天文學家博蓋對大犬座的一對雙脈沖星做了細致研究。這兩顆距離地球兩千多光年之外的脈沖星像海岸的燈塔一樣有規律地向空中發射電磁波,它們相距90萬千米,每145分鐘就繞對方轉一圈。兩個大質量高密度天體的高速旋轉以極大的力量攪動周圍的時空框架,應該會持續不斷地發出引力波。博蓋并未直接用天線觀測到其中的引力波,但她發現,兩顆脈沖星以每天7毫米的速度相互靠攏。這是因為引力波帶走能量之后,兩個天體在各自的引力作用下相互跌落。天文學家就是以這種方式間接檢驗了愛因斯坦的引力波。

除了大質量天體產生的劇烈擾動之外,宇宙在誕生之初也會產生一種引力波,這就是史密松中心探測到的原初引力波。原初引力波的提出基于一系列觀測結果和理論假設,有點兒像名偵探柯南在證據不充分時對案件做出的縝密推理。我們知道,哈勃在1929年時利用星系紅移的數據發現宇宙正在膨脹。反過來想,早期的宇宙必然比現在體積更小,溫度和密度更高,它會像太陽表面一樣發出奪目光芒。隨著宇宙后來的膨脹,這種無處不在的光芒被迅速稀釋,波長也被拉伸到了微波波段,這就是1964年發現的微波背景輻射。正是這個發現第一次證明了宇宙始于一場“大爆炸”。

暴漲

微波背景輻射的波譜可以畫成一條能量分布曲線,這是宇宙中最完美的一條曲線,就像你閉上眼睛隨手一畫,就在黑板上畫出一條完美的正圓來。這種情況太罕見,太不可思議了,許多物理學家相信如果不是某種力量有意為之,那么一定有一種物理機制可以做出解釋。1980年代初,當時還在讀博士后的阿倫·古斯提出,這條曲線在最初的一刻可以是不完美的,但是在宇宙極早期(10的負33次方秒之內)的一場超快速膨脹將其中的不完美迅速稀釋掉了,所以才留下一條表面上看來十分完美的曲線。如果你能夠放大曲線的局部,就會在其中看到十萬分之一級別的細微不完美。果然,1990年代發射升空的COBE衛星在微波背景輻射中發現了這種不完美,正是宇宙中存在不完美的地方,才使得原始的云氣可以凝聚成星系和恒星,才有現在的人類。

古斯以當時最流行的經濟現象通貨膨脹命名了他的理論,我們現在稱為暴漲(二者的英文都是“inflation”)。暴漲是一場比大爆炸更為離奇的爆炸,它的持續時間極為短暫,只有不到10的負33次方秒,卻至少可以將宇宙中的任何一處空間放大10的60次方倍。原先如一個分子大小的空間會變得像銀河系一樣廣闊,而原先如豌豆大小的空間會變得比我們現在所能觀測到的宇宙還要浩渺。

原初引力波

因此,在宇宙極早期,原本在極微小的尺度上起伏不定的引力場漲落隨著暴漲在一瞬間被放大到宏觀尺度,這就是原初引力波。原初引力波攪動了時空中的物質,微波背景輻射產生時,物質又攪動了其中的光子,使之擁有一種特殊的分布模式。如果說微波背景輻射是大爆炸的回聲,那么這種特殊的分布模式便是暴漲的回聲??茖W家證實了大爆炸中的爆炸,因為他們捕捉到了回聲中的回聲。

由于這個推理過程涉及了引力波、暴漲機制和量子引力等諸多待定理論或現象,史密松中心的發現大大鼓舞了物理學家,尤其是理論物理學家的信心。這個發現比探測脈沖星軌道變化更為直接,進一步說明引力波是真實存在的;這個發現第一次找到了暴漲機制的直接證據,排除了一批試圖繞過暴漲機制來解釋微波背景輻射波譜的替代理論;這個發現給出了暴漲模型應該具備的具體特征,為將來新模型的建立提供了依據。

這個發現還說明,科學家將廣義相對論與量子力學結合起來的努力是合理的,量子引力是一個正確的研究方向。有理由相信,隨著數據的進一步積累,人類對于宇宙極早期的認識會越來越豐富?;蛟S有一天,一個終極理論開始顯現,正如天姥山的“云霓明滅或可睹”。

(本文來源:南方周未 作者 李劍龍 系物理學博士)
主題閱讀: 引力波  微波背景輻射
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