宇宙暴胀理论

伤我心太深

　　宇宙暴胀理论是现代宇宙学的核心。那么，为什么到现在天文学家还没有看到它的任何迹象呢?
　　阿兰·古斯(Alan Guth)和安德烈·林德(Andrei Linde)在美国麻省理工学院的报告厅中举杯欢庆科学的力量。作为暴胀理论的奠基人，他们曾经提出的疯狂理论，现在有了物理证据，诺贝尔奖似乎也会接踵而至。2014年3月18日的《纽约时报》头版报道《空间涟漪为宇宙大爆炸提供强有力证据》。美国哈佛大学、斯坦福大学和世界各地的其他大学也竞相宣布他们的科学家也参与其中。

　　一场冲向宇宙黎明的竞赛

　　Eric Betz　文　Shea　编译


　　在南极，有一架望远镜在宇宙最早的辐射——宇宙微波背景——中发现了一个明显的扭曲特征。被称为B模偏振，它被视为是证明在紧接着宇宙大爆炸之后发生过暴胀的决定性证据。这架望远镜被称为宇宙河外偏振背景成像(BICEP)/凯克阵列。

　　在该发现团队的公告中，团队成员美国明尼苏达大学的克莱姆·普赖克(Clem Pryke)说：“这就像大海捞针，而我们却发现了一根撬棍。”
　　几十年来，暴胀一直是一个被广泛接受的、但仍未被证实的理论。它认为在宇宙诞生之后仅一万亿亿亿亿分一秒，我们的宇宙从亚原子的尺度膨胀到了一个柚子的大小。

宇宙暴胀理论

　　[图片说明]：南极日落中的BICEP(前景)和SPT(背景)。版权：Steffen Richter (Harvard University)。


　　麻省理工学院著名的数学家和宇宙学家马克斯·泰格马克(Max Tegmark)那天也在报告厅，他将这个比喻成母亲怀着的婴儿。
　　“每一天你的大小都会翻倍，如果你在9个月的时间里一直维持这样的状态，那你妈妈肯定就够受的了，”他说，“对于宇宙也是一样。”
　　暴胀理论中不可思议的超光速膨胀才是真正的“爆炸”。(泰格马克更喜欢把大爆炸本身是规模更小的“爆炸”。)暴胀为接下去138亿多年的宇宙演化提供了可能，从夸克到原子、恒星和行星——甚至生命。


　　举杯相庆的宇宙学家古斯和林德正是率先提出存在这一暴胀时期的科学家。1979年，它脱胎于优美的数学模型，当时古斯提出该模型是为了解释奇异的磁单极粒子的缺失，它们本应在大爆炸中被创造出来。古斯发现，我们的宇宙并非是缺少单极子，它们只是被暴胀的高速膨胀稀释了。
　　但暴胀能做的远不止于此。正如古斯所喜欢指出的，宇宙大爆炸其实根本就不是一个真正的有关爆炸的理论。它所描述的是爆炸的后果，不涉及导致大爆炸的物理机制，也无法回答是什么以及为什么发生了爆炸。

　　古斯花了半年的时间来研究这个问题，直到在一个漫长的夜晚，他构想出了一种“壮观的实现”。

　　古斯的理论在描述这个爆炸上非常特别。它认为，在一开始的时候时空具有负压强，表现为可以对抗引力的斥力。在短暂的瞬间，这个斥力发威，驱动空间在很短的时间内发生指数式的膨胀，其膨胀速度甚至可以超过光速。

　　然而，光有古斯的暴胀还不够。它并不能使得宇宙继续膨胀成我们现在所看到的样子。他的暴胀模型会把宇宙变成一个由碰撞和融合的泡泡所组成的无穷混合体。暴胀需要林德的帮助。古斯的模型包括了所有的宇宙，但1981年林德计算发现在任何一个地点都会发生膨胀。他的暴胀理论被称为混沌暴胀，把我们的宇宙变成无穷的多重宇宙中的一个。
　　35年来，暴胀已占据了宇宙学的核心位置，因为它可以解释一个又一个的有趣问题。相比其他任何的理论，暴胀能更好的解释为什么空间是平直的以及宇宙中相距遥远的地方是如何相联的。根据暴胀理论，计算机模拟可以重建出宇宙的大尺度结构。

　　总之，没有暴胀理论将会是物理学的一大损失。没有暴胀，标准宇宙学标型就没有了它的起点。

宇宙暴胀理论

　　[图片说明]：BICEP(左)和SPT(右)的俯视图。


　　尘埃落定


　　但是，该怎么去检验如此大胆的一个理论?理论家预测，其指数式的膨胀会以引力波的形式留下明显的印记，而这些引力波会扭曲光线，在宇宙微波背景辐射中产生B模偏振信号。
　　然而，尽管古斯和林德在庆祝BICEP的结果，但对这一B模发现的质疑也开始在学术界悄然发酵。一些理论家指出，观测到的偏振信号比预期的强太多。其他人则质疑该团队在没有经过同行评议就先召开新闻发布会宣布结果的做法。


　　“很快，质疑都集中到了BICEP团队分辨宇宙微波背景和尘埃的能力上，”美国加州大学伯克利分校的天文学家马丁·怀特(Martin White)说，他也是参与欧洲空间局普朗克任务的科学家。这一怀疑被证明是有理有据的。普朗克探测器测量了天空中较BICEP所观测的更大得多的区域，但分辨率较低。它的最终结果显示，BICEP所探测到的大部分信号都受到了来自我们银河系中前景尘埃的干扰。不幸的是，这些干扰信号几乎遍布整个天空。

　　现在，距离国际媒体头条新闻宣布这些引力波的发现已经过去了2年，科学家也已经确信BICEP看到的是尘埃——并非暴胀。但是，就这些信号中还有什么目前仍不确定。来自时间之初的B模信号是不是有可能隐藏在其中呢?

　　一场寻找暴胀首个证据的竞赛正在不断升温。眼下至少有8台仪器正在搜寻大爆炸的这些细语。为了要找到它们，宇宙学家们首先要破除掉一切的干扰。

宇宙暴胀理论

　　[图片说明]：位于智利沙漠中的阿塔卡马宇宙学望远镜。版权：M. Devlin。



　　宇宙大爆炸仍在燃烧的余烬


　　BICEP并不是第一个因宇宙微波背景的信号而感到沮丧的团队。1964年，美国贝尔实验室的科学家阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)在使用位于新泽西的高灵敏度喇叭天线做射电天文学研究时，他们发现在天空中有一个挥之不去的微小噪声。


　　两人最终排除了它来自地球、太阳甚至是我们自己的银河系。这个噪声来自四面八方。

　　他们不知道的是，就在距离他们不远的普林斯顿，以罗伯特·迪克(Robert Dicke)为首的一组天体物理学家正在准备去搜寻彭齐亚斯和威尔逊所发现的这一信号。虽然自从维斯托·斯里弗(Vesto Slipher)和埃德·温哈勃(Edwin Hubble)的观测证明宇宙在膨胀已经过去了几十年，但有关宇宙大爆炸的辩论却仍在激烈进行中。只要把宇宙膨胀反过来推演，天文学家就会发现到整个宇宙都融合于一点。


　　如此前其他人所做的，迪克的小组认为，当大爆炸开启这一膨胀时，它必定会把微波辐射播撒遍整个宇宙。令人难以置信的是，他们所预言的辐射与喇叭天线所探测到神秘信号非常吻合。两个小组同时发表了他们的发现。彭齐亚斯和威尔逊偶然发现的信号为他们摘得了1978年的诺贝尔奖。而现在，宇宙微波背景辐射也成为了大爆炸宇宙学的坚强支柱。
　　从那以后几十年来，我们已经很清楚地知道宇宙微波背景辐射充满了整个宇宙，存在于所有的方向上，它们的亮度也大致相同。
　　宇宙微波背景中的光子是宇宙在大爆炸之后38万年变得透明时所留下的遗迹，当时的宇宙已经冷却到约3 000开。在这之前，宇宙是一锅过于浓稠的粒子汤，自由电子和质子无法结合形成宇宙中最主要的成分——氢。


　　宇宙学家称之为复合时期，它使得光子可以自由地在太空中穿行。因此，天文学家看到的每个宇宙微波背景光子都来自于近138亿年前它们和电子发生最后一次散射的地方。美国宇航局戈达德空间飞行中心的宇宙学家、2006年诺贝尔奖得主约翰·马瑟(John Mather)说：“宇宙微波背景亮度的分布图所显示的是从每一个方向于现在抵达我们的辐射。如果你再等上10亿年，仍然会有辐射从各个方向源源不断地到来。”


　　这种平滑度也被认为是暴胀的产物。在宇宙诞生后10-34秒，暴胀的快速膨胀已经抹平了充满宇宙的高温电离气体中任何的团块。
　　但微小的量子涨落——变化幅度在十万分之一的水平上——会引入新的密度起伏。引力会把越来越多的物质吸引到稠密的区域中。它们是将来形成星系和星系团的“种子”，也在宇宙微波背景中留下了斑斑点点。


　　自彭齐亚斯和威尔逊发现宇宙微波背景起，天文学家就已经知道，当其中的光子穿行于宇宙中时，位于其进行路线上的物质，例如宇宙历史早期的大尺度结构，会使得其具有“各向异性”——宇宙微波背景中微小的温度差异。在飞往地球的过程中，宇宙微波背景光子在这些结构中逗留的时间越长，它的温度看上去就越低。这一温差让天文学家能以一种全新的方式来研究宇宙，揭示了它的演化。

　　光以波的形式传播，就像在大洋表面运动的水。如果它们在某个特定的方向上发生振荡，这些波就具有了偏振。例如，水波会上下振荡。当地球大气中的粒子反射阳光时，地球的蓝天也就有了偏振。
　　同样，宇宙微波背景也会具有微小的偏振。但它的方向则是由早期宇宙中的物质来决定的。

宇宙暴胀理论

　　[图片说明]：同样位于智利沙漠中的“北极熊”。版权：POLARBEAR。



　　计算扭曲



　　1996年，斯洛文尼亚的理论宇宙学家、现美国加州大学伯克利分校教授乌罗什·塞利亚克(Uros Seljak)在寻找新的方法来从宇宙微波背景中提取信息，他怀疑其中还隐藏着秘密。
　　与由星系所产生的大尺度显著影响不同，塞利亚克想要寻找宇宙微波背景中的小尺度扭曲。他提出，如果暴胀确实发生了的话，那么在剧烈的膨胀阶段会形成大量的引力波，随后它们会传遍整个宇宙。这些引力波也会扭曲宇宙微波背景中的光，产生一个标志性的旋涡形状。如果在天空中观测到了这一现象，就能为暴胀提供物理证据。

　以磁场的符号，塞利亚克将这一理论上所预言的扭曲称为B模。类似于电场的偏振则被命名为E模。他的论文和其他的研究开启了探测B模偏振的热潮。
　　“实验物理学家非常迅速地就抓住了这个想法，”他说，“当然，他们目前还没有足够的敏感度来看到它，而为了达到现在的灵敏度则差不多花了近20年的时间。”
　　在探测B模的项目中，BICEP是最雄心勃勃的。它第一个达到了寻求供答案所需的的分辨率。“这是一场自1997年持续至今的比赛，现在我们终于达到了能开始取得成果的地步，”塞利亚克说。


　　杰米·博克(Jamie Bock)是美国加州理工学院的一名实验宇宙学家。10多年前，他和其他几个物理学家一起设计并建造了BICEP。从那时起，这个团队就在南极对天空进行系统地勘测。他们的目的是测量宇宙微波背景中的B模偏振。该团对称这一信号为宇宙引力波背景。

　　南极的高海拔和干燥气候为进行微波观测提供了一个完美的地点，而在地球上的其他地方微波很容易就会被水蒸汽吸收掉。

宇宙暴胀理论

　　[图片说明]：光的本质是电磁波，具有磁场和电场分量，电场的振荡方向即为偏振方向。偏振可以形象地用线段来表示：B模具有扭曲和涡旋的形状，E模则则是无旋的。


　遗迹辐射


　　在探测B模的竞赛中，BICEP并不是唯一的参赛选手，但其他与之竞争的项目则做出了妥协，以确保它们也可以回答更多有关宇宙的问题。
　　因此，当BICEP不断在小尺度上提高其测量精度之时，其他的团队则正在从相反的方向来推进。南极望远镜(SPT)和阿塔卡马宇宙学望远镜偏振计(ACTPol)正在使用其庞大的仪器来完成对宇宙微波背景大尺度的巡天。它们的研究结果预计很快就会公布。

　　“我认为，进行不同的测量对这个领域来说是有益的，”博克说。


　　使用ACTPol、SPT和“北极熊”(POLARBEAR)——另一个位于智利阿塔卡马的宇宙微波背景偏振实验，天文学家正在使用宇宙微波背景来研究宇宙中的大尺度结构，例如早期星系。当宇宙微波背景辐射穿过一个星系团时，其光子会和星系团中的电离气体发生相互作用，进而改变了光子的波长。

　　高新ACTPol的首席科学家苏珊·斯塔格斯(Suzanne Staggs)说：“宇宙微波背景中的每一个光子在飞往我们的过程中平均会受到50次这样的影响。”
　　这就可以把宇宙微波背景作为光源，天文学家可以通过研究其中的斑点来编纂出新的星系团表，其中一些的距离和大小甚至超过了此前所已知的。因此，即便这些实验没有探测到B模，天文学家也能够了解有关早期宇宙中星系演化的惊人内幕。


　　然而，这一效应也会干扰B模的探测。当一个有偏振的宇宙微波背景光子穿过这些星系团时，由此产生的引力透镜效应会给它增加额外的扭曲。要探测到来自暴胀的B模信号，这些效应必须要像尘埃干扰一样被去除掉。

　　“从我们目前所看到的来说，我个人感觉，你必须要在每一个地方都对其进行修正，”斯塔格斯说，“但这目前还做不到。随之而来的问题是这个改正有多大，以及在什么样的程度上你觉得你可以完全相信它。”

　　另一个与BICEP相竞争的项目是一架搭载在气球上望远镜，被称为“蜘蛛”，它高高得飘浮在会干扰观测的地球大气之上。这个项目包含了来自BICEP、SPT和其他项目的成员。2015年1月，它在南极上空收集了宇宙微波背景的数据。

　　2016年的第二次飞行将会在地面也能观测的频率上来进行，以便进行比较。该团队预计也将很快公布其结果。
　　对于BICEP来说，引力透镜信号已经与其仪器噪声在相同的水平上。这表明在冲向暴胀的竞赛中该团队占据了优势——他们的仪器最灵敏。“现在我们就在这个突破点上，”博克说。

宇宙暴胀理论

　　[图片说明]：在宇宙微波背景光子飞向地球的过程中，类似星系团这样的大尺度结构会对其产生偏折作用。这一引力透镜效应会使得宇宙微波背景光子具有额外的微小扭曲，它虽然有助于了解宇宙的演化，但却会干扰对暴胀信号的探测。版权：ESA/the Planck Collaboration。


　　渐暗的线索


　　第一代的BICEP是一个仅使用了98个探测器的阵列。但到2015年开始观测的时候，这个数字已增长到2 560个，使BICEP具有了惊人的集光能力。
　　不过，需要指出的是，没有人能确保B模就一定会真的存在。这是BICEP必须要冒的真正风险。它把赌注全压在了最流行的林德的混沌暴胀理论上，来探测由它所预言的原初B模。
　　因此，当BICEP2在2014年看到B模在天空中是如此的强时，甚至博克自己都感到很惊讶。宇宙学家使用比值r来度量这一信号，它表征的是在早期宇宙中引力波相较于密度变化的对比度。简单来说，r代表着暴胀的强度。BICEP测得的r值为0.2，大约是预言的2倍。这一强度被视为是对林德的混沌暴胀模型的支持。在这一发现被公布之后，整个暴胀理论界都开始庆祝。
　　然而，对此的首批科学质疑之一便来自B模的命名者——塞利亚克本人。

　　“和其他人一样，我也对BICEP的结果感到兴奋，我们都在庆祝，”他说，“随后，我开始查看那些在普朗克探测器会议的论文集中已经公布的结果。”
　　塞利亚克发现，BICEP团队在与普朗克探测器的结果进行比较时，使用了过时的数据。当把普朗克探测器的新结果带入之后，探测到来自银河系之外B模信号的置信度便消失了。
　　“我们问了一个很简单的问题：BICEP的信号是否有可能来自尘埃?”塞利亚克说，“对这个问题的分析显示，这些信号完全可以用尘埃来解释。”
　　“实际上，这一结果之后变得越来越没有说服力，”他补充道。“BICEP和普朗克探测器之间的联合分析表明仅有存在B模的一丝迹象，而现在即便是这个迹象也消失了。”

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　　[图片说明]：宇宙微波背景与尘埃分布图的比较。上图为BICEP2所探测到的B模信号，看上去与暴胀引力波所产生的偏振类似。下图为普朗克探测器所探测到的来自尘埃的偏振辐射，其中用白线勾出的区域与BICEP2所观测的天区。通过仔细地比对两者，结果显示BICEP2的信号受到了尘埃辐射的严重干扰。版权：上图：BICEP;下图：ESA/Planck Collaboration。

　　随之而去的还有对混沌暴胀理论的支持。但BICEP团队仍在搜寻天空，将他们的目光放在95千兆赫的频率上，在这个波段上他们的仪器对宇宙微波背景会比对尘埃更加的敏感。一旦他们把这些测量结果和此前的归总到一起，应该可以把他们的测量误差减小到之前的1/2，进而澄清暴胀的信号是否真的存在。
　　BICEP的最新数据已于2016年1月底公布，支持了此前信号来自尘埃的论断，并进一步调低了r的上限(r<0.09)。博克说，未来几年应该会看到暴胀所预言的最常见信号是否能被探测到，r值的上限预期将会被进一步的压缩。

　　“如果没有探测到信号，也同样是吸引人的，”博克说。也就是说，如果仪器什么都没有发现，那么理论家将不得不回到原点，思考一下我们对暴胀的理解可能出现了什么问题。
　　从塞利亚克的角度来看，暴胀理论是有生命力的。它对宇宙的解释极具价值。然而，塞利亚克也认为，搜寻时间之始的B模竞赛已经排除了某些特定版本的暴胀——值得注意的是，其中不乏见于今天大多数教科书中的。“不管怎么说，暴胀是一个非常有说服力的理论，”他说，“它有许多已经被证实的东西。”