大爆炸的余音-引力波

当你仰望繁星密布的夜空，环顾神秘莫测的宇宙，你可能会提出种种疑问：星星到底有多少？宇宙究竟有多大？实际上，从远古时代起，人类就开始了对天体运行及宇宙起源的探索和思考，无论是西方旧约中的上帝创世纪，还是中国神话中的盘古开天地，都将天地宇宙描述成是处于永恒的运动和变化之中。即使后来人类掌握了科学这个锐利的武器，尤其是爱因斯坦于1915年提出了广义相对论之后，也仍然赋予宇宙以动态的图像，而非静止和一成不变的。既然宇宙处于不停的变化之中，那么，它变化的历史如何？它是否有一个起点和终点？它是如何演化成我们现在所观察到的这种形态的？对这一大串问题，也许每种宗教都有它自己的说法，但我们这儿感兴趣的，是科学家们如何回答这些问题。

物理学或天文学，都是基于实验数据和观测事实之上的科学。爱因斯坦天才地创建的广义相对论，最后也必须得到实验的验证。在广义相对论所预言的几个现象中，水星轨道近日点的进动、光线在星体附近的偏转、及引力红移，都已经在天文观测中被证实。唯独这个理论所预言的引力波，尚未被直接观察到。然而，就在本月中旬，2014年3月17日，哈佛－史密松天体物理中心的天文学家约翰•科瓦克博士等宣布，他们利用设置在南极的BICEP2探测器研究宇宙微波背景辐射时，直接观测到了引力波，并且取得了第一幅原始宇宙引力波的特殊图像^【1】。这个划时代的发现让天文学家和物理学家们激动兴奋不已，如果结果被验证确实的话，这将是物理学上一个诺奖级别的重大成就，对基础物理研究以及宇宙的演化理论影响巨大，爱因斯坦天上有知，一定会开怀大笑的。

那么，什么是引力波？什么又是原始宇宙引力波？哈佛在南极的探测器是如何探测到引力波的？为什么说它对基础物理及宇宙演化论影响巨大？

众所周知，牛顿的引力定律揭示了引力与物质的关系。而包括了万有引力的广义相对论则将引力与空间的弯曲性质联系起来。与电荷运动时会产生电磁波相类比，物质在运动、膨胀、收缩的过程中，也会在空间产生涟漪并沿时空传播到另一处，这便是引力波。理论上来说，根据广义相对论，任何作加速运动的物体，不是绝对球对称或轴对称的时空涨落，都能产生引力波。引力波存在的理论预言早在1925年^【2】就被给出，但是，由于引力波携带的能量很小，强度很弱，物质对引力波的吸收效率又极低，一般物体产生的引力波，不可能在实验室被直接探测到。举例来说，地球绕太阳相互转动的系统产生的引力波辐射，整个功率才大约只有200瓦，而太阳电磁辐射的功率是它的10²²倍。200瓦！可以想象得到，照亮一个房间的电灯泡的功率，散发到太阳-地球系统这样一个诺大的空间中，效果将如何？所以，地球-太阳体系发射的微小引力波完全无法被检测到。

既然实验室里探测不到，科学家们便把目光转向浩渺的宇宙。宇宙中存在质量巨大又非常密集的天体，超新星爆发、黑洞碰撞等产生强引力场的情况也时有发生，因而便有可能会发出能够被探测到的引力波。上世纪70年代末，两位美国科学家因研究双星运动间接证实了引力波的存在，并因此而获得了1993年的诺贝尔物理奖^【3】。

除了黑洞和超新星之外，另一个超强引力的环境存在于大爆炸的初期。所谓大爆炸，是目前科学界公认的一个宇宙演化模型^【4】。根据这个模型，宇宙起源于约137亿年前的极高温、极高密度的原始火球的一次热爆炸。然后，随着宇宙的膨胀，世界从密到稀、从热到冷，最后演化成为我们现在所见的宇宙。

图2：（a）宇宙演化的大爆炸模型（b）暴涨理论

大爆炸理论是基于天文观测数据和广义相对论而建立起来的。原来普遍使用的标准模型，并不能与所有天文观测结果相吻合。1980年，麻省理工学院科学家阿兰•古斯等人提出“宇宙暴涨理论”，认为宇宙大爆炸后10^-35秒左右，有一个急剧快速指数膨胀的极短的“暴涨”阶段。在图2b中，可以看到红线表示的标准模型与蓝线表示的暴涨理论之间的差别。

图2a所示的是包括暴涨理论的大爆炸宇宙演化过程。因为大爆炸开始于空间范围极小的奇点，在最开始10^-40秒，表现出显著的量子效应和巨大的引力，被称为量子引力阶段。然后，宇宙进入暴涨时期：空间急剧变化、时空迅速拉伸、量子涨落也被极快速地放大，因而产生出强度巨大的原初引力波。

从图2a中，可以注意到大爆炸发生后30-40万年左右，是一段特别的、被称为“微波背景辐射”的时期。这段时期从两个方面影响了我们对宇宙早期历史的探索。

其一，在这段时间之前，物质以高温高密的等离子体形式存在，天地混沌一片，星体尚未形成。光子、电子及其它粒子一起，充满整个宇宙，是一片晦暗的迷雾状态。由于光子被粒子频繁散射，平均自由程很短，形成了一道厚实的屏障，宇宙显得不透明，使得更早时期（即大爆炸开始到30万年之间）的光无法穿透这段时空，因此而使得人类对“微波背景辐射”之前—诸如暴涨过程等的研究造成了困难。

在另一方面，随着宇宙的膨胀，其温度不断降低。当宇宙年龄大到38万年时，温度降至3000K左右，等离子体中的自由电子逐渐被俘获，进入复合阶段。光子的平均自由程也逐渐增加，宇宙变得透明起来。光子被电子等粒子散射，形成了一种至今弥漫于宇宙中的背景电磁波，即我们现在称之为“3K微波背景”的电磁辐射。这种可以被观察研究的大爆炸的余晖：“遗留辐射”，已经成为我们研究早期宇宙，发展宇宙论的基础。

也就是说，宇宙长到40万年左右的那一段转型的“孩童时代”，既给我们提供了“微波背景辐射”，让我们从中得以探索到那时候宇宙的种种形态，又以它不透明的身体，阻挡掩盖了更早期的宇宙，不让人们看到它更早时候“未成形”的模样。

不过，有趣的是：虽然大爆炸极早期的光波不能穿越“微波背景辐射”时期的宇宙屏障，早年发出的引力波却能穿越它，并被叠加在电磁辐射之中。因此，科学家们便期望能够从如今观测到的微波背景辐射中，探测到宇宙暴涨阶段诞生的原初引力波。

哈佛设在南极的BICEP2探测器，便是探测“微波背景辐射”的。

问题是：原初引力波经过微波背景辐射时，会留下什么样的脚印呢？

答案是：它会使得光（或电磁波）产生一种特殊的偏振图案，称之为B模。

科学家们根据理论上的预测和模拟，将微波背景辐射可能探测到的偏振图样分为两大类。一类是旋度为零，散度不为零的部分（类似于电场），称为“E模”，另一种是散度为零，旋度不为零的部分（类似于磁场），称为“B模”。

E模和B模之比较见图3。两种偏振模式来源于不同的物理过程，取决于与电磁波相互作用的扰动类型，是标量、矢量、还是张量？E模偏振是由光波被电子等粒子散射时产生的，属于标量或矢量的作用，早已被观测到。而B模偏振则是被原创时发出的引力波扰动留下的特殊印记，引力子的自旋为2，它的印记属于张量作用下形成的一种螺旋式的特殊偏振图案。从图3可见，E模没有手征性，B模具有手征性，有左旋和右旋两种模式。从图3也可看到，B模偏振的分布图的确与放在磁场中铁屑的旋转排列方式非常类似。

图3：微波背景辐射中的E模偏振和B模偏振

换言之，E模所探测到的是大爆炸后30万年后的宇宙混沌时期，而B模所探测到的却是大爆炸之后刚10^-35秒时的“暴涨”期。因而，B模才真正是宇宙诞生时的“余响”，迄今为止直接探测到的来自于创世之初的原始信息！这也就是为什么哈佛科学家们宣布的消息使得人们异常激动的原因。测量到原初引力波的意义非凡，首先，这意味着科学家们可以通过它来进一步探测和理解早期未成形的“胚胎宇宙”的物理演化过程，为宇宙模型提供新的证据，使大爆炸模型及暴涨理论有一个更为牢靠的基础。其二，过去的天文学基本上是使用光作为探测手段，如果现在能观测到引力波的足迹的话，便多了一种探测方法，也许由此能开启一扇天文学观测方面新学科（引力波天文学）的大门。此外，大爆炸早期的宇宙模型，原初引力波的发射，都是建立在量子力学和广义相对论的基础上。如今探测到了原始引力波的信号，就能再次证明这两个理论的正确性，对基础物理学的研究也将意义重大。人们笑谈说，探测到原初引力波的结论一旦被最后证实，将引起理论物理界的“大扫除”，一些与观测结果不符合的理论模型会被摒弃，符合的则会得到更广泛的认可。

设置于南极的观测器探测到的B模偏振信号，实际上是很微弱的。其实，即使“微波背景辐射”，也是相当微弱的电磁信号。通常说的“3K”便包含了信号的强度以及频率的信息在内。3K的意思是说：微波背景辐射大致相当于绝对温度为3度时的黑体辐射。这种辐射的频谱是在300GHz附近的微波范围，强度不过大约10^-17W/（m²*Hz），是很微弱的信号。

B模偏振信号又比微波背景信号的强度小了7、8个数量级，因而探测起来才会难上加难，犹如大海捞针！加州理工大学的已故天体物理学家安德鲁•朗格便曾经将寻找B模偏振描述成“宇宙中最徒劳无益的追寻”。安德鲁•朗格曾经指导过许多研究微波背景辐射的学生，包括这次发现的主角—哈佛的约翰•科瓦克博士。正是安德鲁鼓励约翰参与南极BICEP1 望远镜的安装与操作工作。后来，约翰成为BICEP2望远镜的首席科学家，并用它观察到原初引力波，安德鲁却在2010年53岁时因抑郁症而自杀。约翰对记者遗憾地说到安德鲁：“他如果看到这个研究成果，一定会非常高兴，我们已经证明这不是徒劳无益的研究。”

研究人员在南极发现了比预料中强得多的B模偏振信号，这也是使科学家们兴奋的原因之一。共同研究者、明尼苏达大学的普赖克说:“这就好像要在草堆里找一根针，结果我们找到了一根铁撬棍。”

但这个出人意料之外的结果与欧州空间局普朗克卫星的研究结果有一定差别，还需要进一步的验证。据说今年6月份，欧空局的研究人员将公布普朗克卫星获得的新结果。“大爆炸余音”的结论如何，让我们拭目以待。

参考资料：

【1】Overbye, Dennis (17 March 2014). "Detection of Wavesin Space Buttresses Landmark Theory of Big Bang". New York Times.Retrieved 17 March 2014.

【2】H. W. Brinkmann (1925). "Einstein spaces which aremapped conformally on each other". Math. Ann. 18: 119.

【3】Discovery of a Pulsar in a Binary System, R.A. Hulse andJ.H. Taylor, Ap. J. 195, L51

【4】Weinberg, Steven, The First Three Minutes, Bantam Books,1977.