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微波视窗：距离南极站举步之遥便是BICEP2望远镜（前景罩内）和南极望远镜（背景）。（图片来源：BICEP CONSORTIUM） 无论白天还是黑夜，向着天空举起你的大拇指，拇指尖就和具有历史意义的微波背景辐射新发现——极化旋涡的大小、形状差不多。 南极BICEP2项目组的成员在今年3月向外界宣布了这一发现。消息一经传出便轰动全球。宇 宙暴涨理论早就预测了极化旋涡的存在。该理论认为早期宇宙脱胎于一次不同寻常的、呈指数式的快速生长。极化旋涡堪称本世纪宇宙学领域最重大的发现。微引力 波和时空的量子涨落（即常见于理论中的、承载引力的引力子）被超级放大，并且被瞬间冻结，形成了这些极化模式。这一过程发生在宇宙大爆炸后10的负36次方秒。麻省理工学院（简称MIT）的物理学家Frank Wilczek对此发现惊异不已：“我们竟然在天上看到了引力子的印迹。”
发布会：Marc Kamionkowski（左）与BICEP项目领导人Clem Pryke, Jamie Bock, Chao-Lin Kuo和John Kovac一起向全世界宣布他们取得的最新科学发现。关于宇宙大爆炸，我们发现的第一个直接证据是发生在大爆炸后最初几分钟的轻元素核合成。BICEP发 现的引力波信号似乎来自更早的时期（大爆炸后第10的负38次方秒），可谓观测天文学获得的有史以来最重大的突破。（图片来源：RICK FRIEDMAN） 极化旋涡有两种模式。一种模式位于波江座α星偏北一点，呈顺时针方向。另一种模式出现在凤凰座西侧不远处，沿逆时针方向旋转。如果这个发现得到其它团队竞相证认或是理论学家没出大错的话，极化旋涡的存在便宣告了暴涨理论的胜利。
天外的引力子：科学家分析BICEP2的观测数据，绘制出宇宙B模极化信号分布图（上图）。每一点的黑色虚线表示出极化信号强度和方向。橙色区域代表沿顺时针方向的极化旋涡，蓝色区 域则是沿逆时针方向的极化旋涡。下图为同一天区的星座图。伸出手臂，一臂之远的拳头大小（对应10度张角）约为上图高度的2/3。（图片来 源：BICEP2 COLLABORATION） 不过，该发现却引来一个重大疑难。它把暴涨理论的一个极端预测推到了科研阵地的最前沿：即多元宇宙的存在，其中至少有两种无边无际的宇宙。由此带来的深刻的物理性无穷悖论。而且，这个预测也不容易被验证。尽管如此，BICEP项目组的发现至少是朝着检验暴涨理论的大方向，开创了一个观测天文学的新研究领域。 胜利的消息 找到极化模式信号已属不易。自从2006年以来， 在哈佛-史密松天体物理研究中心（Harvard-Smithsonia Center for Astrophysics）的科学家John M. Kovac的带领下，BICEP组的47名成员一直坚守在南极的高海拔干燥地区，使用一连串仪器测量宇宙微波背景的极化模式。经过一年多的分析和核查，项目组于今年3月17日在哈佛天文台向外界公布了他们的发现。 在哈佛天文台颇有历史意义的Phillips大礼堂，科学家、媒体记者和电视台工作人员蜂拥而至，齐聚一堂。BICEP项目的领导者们花费2个小时介绍他们的成果。会后，MIT的宇宙学家Max Tegmark（他并没有亲身参与此项目）难掩内心激动，声称“这是有史以来最伟大的发现”。John Hopkins大学的宇宙学家Marc Kamionkowski在媒体面前颇有把握地说：“这一发现具备获得诺贝尔奖的资格”。在30多年前最先提出和发展暴涨理论的Alan Guth和Ardrei Linde则向记者表示，该发现证实了他们投入毕生精力开创的理论的正确性。
自豪的暴涨理论之父：Alan Guth（左）于1979年提出暴涨理论。1982年，Andrei Linde在此基础上发展出第一个永恒模型。（图片来源：S&T: CAMILLE CARLISLE） 极化模式的强度比预想的要大。信号的强度和平均角大小第一次把暴涨发生的时间和当时的温度确定下来：从理论时间零点算起，暴涨发生在第10的负38次方秒，当时的温度是2x10的29次方摄氏度。此温度对应的能量为2x10的16次方Gev——比大型强子对撞机加速的单个粒子所能达到的最大能量值还高10的12次方倍。暴涨比理论学家预想的要来得更早，也更炽热。 信号强也易于其它研究团队开展后续观测。而且，我们还可以获得更多细节信息。在这个新天文学研究领域，我们透过通常所说的宇宙大爆炸，进入了一个实验无法检验的极端物理时期——也许，我们能从中窥见在我们这个宇宙之前和之外的、更广阔的天地。 几乎有十几个团队在竞争发现极化模式的第一人。南极大陆、智利安第斯山脉、地球大气层高处、以及外太空都有接收仪器在日夜不停地搜寻着。很快会有其它几个研究团队对BICEP组的发现进行确认——要么证实、要么证伪。隶属于欧洲空间局的Planck科学组计划在今年10月或者11月公布全天微波背景极化分布图的分析结果。与BICEP望远镜相距不远的南极望远镜也会在今年年底给出自己的发现。Princeton的Suzanne Staggs介绍说智利的阿卡塔马B模搜寻工作（其搜寻天区面积比BICEP2的天区大3倍）在年内将对BICEP组的发现做出评估（她是该项目的领头人）。与此同时，BICEP组也没闲着。它一边采用一台名为Keck Array的新仪器（该仪器能使速度提高5倍），一边筹备BICEP3项目。
南极望远镜（白色盘状物）、BICEP2（中间屋顶圆罩内）和Keck阵（图右圆罩内）位于南极站的“暗区”（由于沿此方向没有射电干扰信号而得名）。一架 LC-130型飞机正在起飞。（图片来源：STEFFEN RICHTER / HAVARD UNIVERSITY） 美国的天文学家早就酝酿着一个计划——绘制范围更广、更敏锐、也更清晰的极化图。这也是新研究领域的下一个前进目标。目前，该计划有望得到资助，进入实施阶段。 展开图景 这些项目是为了梳理大爆炸遗存（暗弱的微波余晖）中的细小、次级特征而专门设计的。在宇宙大爆炸之后很久（38万年），微波背景辐射才出现。然而，背景辐射中温度高低的细小变化却携带着早期宇宙的丰富统计信息。在过去的22年里，科学家坚持不断的观测奠定了现代精确宇宙学的基础。 新一轮探测不只要测量背景辐射的温度起伏，还要研究它的极化分布。就像偏振太阳镜阻挡了光线一样，微波辐射的电场方向并非随机分布，而是有其特定的方向。许多事物都能使微波发生极化，比如说地球大气层、银河系尘埃、还有在遥远的早期宇宙，不规则的物质分布产生的引力透镜。不过，绝大多数极化都是径向极化（E模式）。有些E模极化信号很早就被其它探测活动发现了。 理论认为，指数型暴涨导致的引力波能够产生各种风车状极化模式（B模式）。理论推断此类信号极其微弱，我们可能永远也探测不到。更何况，后来的前景天体还会在此基础上加入自己的B模信号，使情况更趋复杂。 BICEP团队特意选取了一列有“南极空洞”之称的狭长天区。那块天区几乎没有星际尘埃。他们成功绘制出极化信号分布图，并且移除了横贯视场的E模信号。余下的B模信号，其强度仅有E模信号的十分之一、微波背景温度起伏信号强度（10的负5次方）的百分之一。 虽然微弱，B模的旋涡状结构却清晰可辩。它们的强度甚至高过前景引力透镜的污染信号，置信度达5.3σ以上。这说明观测到的强极化模式纯属巧合的概率仅为千万分之一。不仅如此，在天空中大约几度张角的尺度上，极化模式最明显，完全符合暴涨理论的预测。
凸显出的信号：从BICEP2极化信号全天分布图可以看出，B模信号强度远高过噪声和前景污染源（下图为计算机模拟的干扰信号）。测到的B模信号实为干扰信号的概率仅为千万分之一。（图片来源：BICEP2 COLLABORATION） 早期引力波的强度 r 被定义为空间自身的引力波扰动和空间内物质起伏的比值。根据这两种效果引起的扰动类型，人们有时也把 r 称为张量-标量比。该比值在本世纪意义重大，堪比20世纪的哈勃常数。 BICEP团队公布的测量结果为r=0.2±0.06，略偏高。团队领导人、美国Minnesota大学的Clem Pryke说：“这就好比我们本来想在干草垛里找一根针，结果却找到一根棍子”。与此相对照的是，下一波探测活动将试图精确测量r值，测量精度达小数点后3位——比现在的测量值小200倍。 然而，复杂性——可能是障碍，也可能是突破——已经露出苗头。Planck科学组根据小尺度温度起伏推测出r的上限值为0.11。这两者的不一致可归结为巧合。r值本身在暴涨过程中发生改变也不是没有可能——理论学家称之为“移动”。事实上，暴涨理论需要这样的变化。让暴涨减速和停止下来的机制是必不可少的。只有如此，时空才能以恒定的物质、能量组分膨胀下去，演变成我们今天所见的模样。不过，探索目前还处在初级阶段。BICEP组成员在发布会上解释说，他们并没有宣称他们发现了“移动”。 从一连串的成功开始。。。。 在Alan Guth提出暴涨理论后的34年里，该理论可被视为推进科学发展的典型例子。令人困惑不解的观测促进了新理论的产生。理论给出可以验证的预测。如果预测得到证实，理论将被进一步细化，并且给出有待检验的新预测。 Guth在1980年提出的暴涨理论最先对宇宙“从无到有”的诞生给出了详尽的物理解释。Guth利用了大统一场在极早期分离出强核力、弱核力及电磁场的观念。他发现，如果统一场衰退导致的超级致密物质填充了空间，即便是极小部分的空间，也可以使后者在10的负32次方秒（甚至更短的时间）至少胀大10的24次方倍。由此，宇宙便迅速膨胀开来。有趣的是，BICEP2发现暴涨能量值域正好位于统一场的能量范围。也许，这并不是巧合。 此外，宇宙大爆炸理论无法回答的几个重要悖论，暴涨理论都能给出解释。其一是平坦问题，即为什么宇宙能够精准地调节物质和能量的分配，从而使自身保持平衡，避免发生急速大坍缩或快速无限膨胀。另一个疑难是视界问题，即为什么处于天空两端、相距遥远的区域在今天看来如此相似。如果宇宙在膨胀之前没经历过暴涨，那就没有任何机制能对所有物质产生相同的作用。 从1982年开始，暴涨理论一跃成为我们这个时代最重大的科学成就。宇宙如何从大爆炸后极平滑的物质分布中演化出网状结构——星系、星系团？宇宙学家孜孜以求，一直试图找到解答。长成今天我们看到的物质团块的引力“种子”究竟是什么？没有一种机制能够解释这一切。物理学家意识到，暴涨理论给出了回答，虽然这解释听上去令人瞠目结舌。在极早期平滑的物质分布中存在着随机产生的量子涨落。几乎在一瞬间，暴涨把这些微小涨落放大到星系般大小。此后，引力便接过手来，把宇宙打造成今天这般模样。计算结果彼此贴合得天衣无缝。接下去的22年里，几乎每一项宇宙学新发现都在越来越精确地证实这幅图景。 根据暴涨理论的预测，早期量子涨落的大小在各个尺度上近乎均等，但也并非严格均等。能让暴涨“刹车”的“移动”使量子涨落功率谱出现微小偏斜。理论学家估计偏斜造成的谱指数ns大致在0.9-1.0之间。即便是最简单的暴涨模型也认为ns介于0.92-0.98之间。去年，Plack科学组从微波辐射温度分布中精确测量出ns=0.96。 这使得大部分对暴涨持怀疑态度的物理学家们相信，暴涨确确实实发生过。紧随其后的便是B模信号的发现。如此一来，由Princeton的Paul Steinhardt提出的、与暴涨理论竞争的火宇宙理论（ekpyrotic theory）突告终结。该理论认为超时空的2个三维时空相撞导致了宇宙大爆炸。此过程不产生引力波。Steinhardt承认火宇宙理论已经再无吸引力，至少原初火宇宙理论是如此。 Andrei Linde注意到，BICEP2测得的较高温度把在过去34年里层出不穷的理论变量的90%都给排除掉了，唯有他当年提出的简化模型屹立不倒。不过，已有迹象表明情况要比预想的复杂。理论学家正热衷于提出各种解释，几乎每天都有新学术文章面世。 。。。。多元宇宙和无限性危机 天上的B模信号仿佛引领我们进入了一个预先存在的奇特世界。如果暴涨预测进一步得到证实，我们将不仅看到临近“时间零点”发生的事，还会看到一个更古老、也更广阔的领域。 大多数理论学家坚信，暴涨一旦开始，膨胀便永不停止。它将孕育出数不清的大爆炸，生出无穷多宇宙来，就好像不断冒出气泡的香槟酒一样。这就是所谓的多元宇宙。 Andrei Linde说：“如果暴涨发生过，多元宇宙就一定存在。每个支持暴涨理论的观测证据都使我们越来越相信它的存在。” 不仅如此，多元宇宙还可以漂亮地解决另一个疑难。如果存在许多膨胀的宇宙（它们或许是弦理论所允许的、所有可能的物理定律和常量的体现），“微调悖论”便会迎刃而解。为什么许多物理规律和基本常量被如此精细地调整过，宇宙才得以产生出复杂事物，譬如说探索宇宙的人类。如果有许多不同的宇宙，这个疑问便完全不存在了。无论多么少见，有些宇宙确实需要经过精细调整才能孕育出生命来。也许，我们的宇宙恰好就是其中之一。 有些科学家认为这种“自我选择”是一种逃避的想法。它是我们透过纷繁复杂的现象，探索其背后直接起因的绊脚石。有些人则认为多元宇宙论违背了“理论必须能被检验”这一科学原则。不过，宇宙也没道理非要按照某一代科学家和他们有限的探测能力来调整自身。正如Max Tegmark所说，“平行宇宙不是理论——它是理论的预测。” 更加严重的问题是，如果暴涨永不停止，它将催生出无数次大爆炸。然而，现实世界从未出现过物理意义上的无穷。无穷这个概念常常出现在数学里（这也是人类发明微积分的原因所在）。然而，凡是可以测量的物理量（如质量、距离）是不会无限大或者无限小的。除非暴涨要求非如此不可。 其实，暴涨理论预测了另一种不同的无限。即便只发生过一次大爆炸，而且除我们的宇宙之外，再无其它宇宙（理论学家正在想办法让此模型成立），暴涨仍然要求我们这个宇宙广袤无垠。虽然我们无法看到比138亿年（即视界）更遥远的地方，但视界之外必定也是同样地无边无际，那里的恒星和星系与我们附近的天体也没什么两样。如果我们走得足够远，每一种可能的原子排列及其每一个量子效应（包括与地球和地球人一模一样的完美拷贝）不仅会重复出现，还会反复出现无数次。 Tegmark把此类无穷称为“初级多元宇宙”，把暴涨导致的无数次大爆炸称为“次级多元宇宙”。 无限的时空导致了“测量问题”。比方说，如果你有无穷多份自己的拷贝，你就无法推测某事发生在自己身上的概率——因为任何事都会发生无数次，并且无法区分。任何一种无穷都不会比另一种无穷更大。 那种认为自己身处一个足够大的有限时空，能够对所发生的事物进行比较的简单想法在此不能成立。在无限中，每个有限区域都是自身无数拷贝中的一个，是所有可能出现的结果无数次重复出现中的一次。
永不停止的暴涨：在这幅示意图中，许多宇宙在彼此独立的大爆炸中诞生，并在超级致密的“假真空”中永远膨胀下去。时间轴从图底部指向顶部。起始点也许存在，也许不存在。无论怎样，膨胀一旦开始，便永不停止。（图片来源：SOURCE: MAX TEGMARK, OUR MATHEMATICAL UNIVERSE） 在暴涨理论的预测得到确切证实之前，这些不过是书斋里的哲学问题。Alan Guth对此并不十分担心。在BICEP的新闻发布会上，他认为“测量问题”终会解决。Tegmark却把该问题视为现代宇宙学遇到的一个可怕的难堪。暴涨告诉我们说，嗨，有些东西把我们正在做的事情搞砸了。我们的某个基本假设出错了。。。。不只是错了一点点，而是大错特错。他预测，随着人们越来越相信宇宙发生过暴涨，暴涨所要求的无限将会成为未来宇宙学和物理学需要解决的核心问题。
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发表于 2014-7-27 00:53:37
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