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。
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。
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。
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”。
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。
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。
暴漲
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。
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。
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”。