科学首页 > 科学动态 > 新闻列表 > 正文

穿越138亿年不停熄 宇宙第一波首次"亲吻"人类

http://www.kexue.com 2014-03-26 09:55:48 中国青年报  发表评论


当地时间2014年3月17日,美国哈佛大学史密森天体物理中心,科学家出席发布会

  一场跨越138亿年的“考古发掘”终于有了结果,你可能需要深深深呼吸,才能一口气读下来这个重大发现——当宇宙年龄大约只有万亿分之万亿分之万亿分之一秒时,它被猛烈撕开时留下的痕迹。

  不是依靠考古铲,而是一台架设于南极的望远镜;发掘地点不是地下皇宫,而是茫茫宇宙中。当天,美国哈佛大学史密森天体物理中心宣布,他们首次观测到原初引力波存在的证据。原初引力波来自138亿年以前,宇宙开始爆炸的那一刻。

  换句话说,人类接到了来自最早宇宙的一个信号,即宇宙用原初引力波编码发来的电报。

  就连流行美剧《生活大爆炸》都会拿宇宙大爆炸作为开场白,可见这一理论早已被人们熟知。不过,爆炸究竟如何发生,宇宙学家一直猜测不断。“就好像我们试图去写一本关于美国南北战争的历史书,却连它何时发生都弄不清楚。现在,我们突然发现了照片、找到了日记、还确定了战场遗迹。”美国天文学家菲尔-佩雷特打比方说。

  作为开创鸿蒙时的历史痕迹,引力波的发现将回答人类关心的许多基本问题:宇宙如何产生,我们为何存在。“这可能是本世纪最大的发现,如果被证实,那将是诺贝尔奖级别的。” 宇宙学家马克-卡米奥库斯基一点也不吝啬对这个研究成果的赞美。

  上一次,只是间接发现引力波的身影,就为科学家赢得诺贝尔物理学奖

  3月18日,美国物理学家阿伦-古斯也来到发布会现场。1979年的一个深夜,这个连固定教职都没有的年轻学者,在笔记本上写下一个假设——宇宙可能在刚开始爆炸的很短一段时间,以难以想象的速度膨胀,发生了“大爆炸中的大爆炸”。

  35年过去了,古斯当年刚出生的儿子已经成为麻省理工学院的教授,他所提出的“暴涨”理论也成了宇宙学的骨干理论,却依然缺乏一条最有力的证据。如今,引力波的发现将为“暴涨”理论提供一条完整的证据链。

  中国国家天文台的研究员陈学雷向中国青年报记者解释,如果宇宙初创之时被猛烈地撕开,那么这种时空的急速变化会带来引力场的变化。就像在平静的水面投下一块石子,引力场变化以波动的形式向四面八方传播开来,形成引力波。

  但138亿年过去了,如何寻找宇宙第一波?它并不像金缕玉衣等文物一样可触摸,也不像一缕阳光或一阵清风能被感触。它微弱的波动信号,被小心地隐藏在宇宙微波背景辐射中——宇宙大爆炸发生后大约38万年时,当光第一次可以在宇宙中自由传播时留下的遗迹。如果用温度来表示辐射强度,它可算得上“冷冷冰冰”——平均只有3开尔文,大约零下270摄氏度。1964年微波背景辐射首次被发现,成为了现代宇宙学开启的标志。

  捕捉到引力波一瞥影像的,是哈佛大学史密森天体物理中心的约翰-科瓦克教授所带领的团队。这是一个大约50人的天文学家小组。毕业于北京大学,如今是麻省理工学院物理系爱因斯坦和帕帕拉多研究员的苏萌也在其中。

  他向中国青年报记者解释,这次在宇宙微波背景辐射这个大爆炸遗迹中寻找的,是一种叫做B-模式的偏振,与宇宙微波背景辐射中的另一种偏振不同,这种B-模式偏振在大尺度上只可能由原初引力波造成。

  如果你厌烦这些晦涩难懂的术语的话,那么以下这个比喻,或许有助于你理解科学家研究之困难:如果宇宙微波背景辐射被比做是一望无际、深达几千米的海洋,那么这种B-模式偏振的强度,就像是微风在洋面上吹起的细小波纹。

  干燥而大气稀薄的南极成为宇宙“考古发掘”的最佳地点,原因是宇宙微波背景辐射的波段极容易被水蒸气所吸收。“挖掘工具”是一个叫做宇宙泛星系偏振背景成像(Bicep)的望远镜。在长达6个月的南极极夜时间,它紧紧盯着太空中“最干净的一块天区”——一块差不多相当于1000个月球拼成平面那么大的地方——仔细寻找引力波的信号。

  “第一代Bicep望远镜看了三年没看到,二代提高了十倍的灵敏度,又看了三年。”苏萌感慨,“从发现微波背景辐射开始,人类用了50年的时间把探测装置的灵敏度提高了100万倍,才终于看到了B-模式的信号。”

  当最终结果出炉时,因为担心泄密,科瓦克没有用电子邮件,而是亲自把论文草稿送到为数不多的几个人手里。

  “这是一个非常特殊的时刻,作为科学家我们非常严肃地对待这一时刻。”这位射电天文学家说。

  引力波被直接发现也“填补了广义相对论实验验证的最后一块缺失的拼图”。自从爱因斯坦根据广义相对论提出可能存在引力波以来,接近100年的时间里,人们都没有找到这种波存在的直接证据。

  其中最接近的一次是1974年,两位美国物理学家在一个双中子星系统轨道的演化行为中间接发现了它的身影,这也为他们赢得了1993年诺贝尔物理学奖。

  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。

  发布会之后,那件叫做“原初引力波”的“文物”被绘制在一张有着红蓝印迹的图纸上,流传到互联网的各个角落。红蓝色块下,一条条涡旋状分布的黑色短线,刻画出B-模式偏振的模样。

  现年67岁的古斯宣布自己“为之惊叹”。“就观察自然而言,你需要有运气,”他说,“显然,我们一直都很有运气。”

  相信自己好运的还有斯坦福大学的理论物理学家安德烈-林德。当他正打算去加勒比海度假时,斯坦福大学的天文学家郭兆林敲开了他家的门,告诉他这一消息,并随身带了一瓶用于庆祝的香槟。

  郭兆林只说了两个数字:“比值是0.2——这代表测到的原初引力波的强度;5σ——这个统计学上的数字说明这次测量结果出错的概率不到百万分之一。”

  林德还没有反应过来,同样是物理学家的妻子就冲上来给郭兆林一个大大的拥抱。

  “就在这一刻,感受到大自然令人窒息的伟大。希望这不是一场梦。”林德也属于最早提出暴涨模型的学者之一,他修正了古斯的模型。“得到这样的消息是毁掉一个假期的最好的办法。”林德表示。

  苏萌告诉中国青年报记者:“早在去年秋天团队就已经得到大致结果,看到0.2的时候,第一反应肯定是什么地方做错了,看到的是仪器产生的错误信号,而不是来自天上的。”

  随后的一年时间里,团队用哈佛大学的一台超级计算机进行了数据对比和分析,以确认他们的结果是正确的,“同时他们担心竞争者会抢在前头出结果”。

  “许多实验都在努力提高精度、灵敏度,但没有想到它会这么大,现在就能探测到。”中国科学院高能物理研究所研究员夏俊卿解释。这位年轻人是欧洲普朗克(Planck)卫星实验的低频组核心成员。对于身处距离地球150万公里、花费了欧洲航天局大约7亿欧元的普朗克卫星来说,探测原初引力波也是其目的之一。之前,根据普朗克卫星的探测推算,引力波的强度最高不会超过0.1。

  “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。”科瓦克感慨。

  但直到现在,也不是所有人都相信发布会的结果。亚利桑那州立大学的劳伦斯-克劳斯强调需要独立验证,因为“新结果超出了此前估计的范围,也超出了其他有关宇宙的假设”。

  “所以在我们上蹦下跳之前,需要等着瞧瞧。”克劳斯在接受采访时说。

  引力波的发现将为物理学带来一场“大扫除”

  夏俊卿告诉记者,普朗克卫星今年6月将报告第二期观测结果。据《纽约时报》报道,至少有十几个团队“在利用气球、山顶或空间的望远镜尝试着进行类似的观测活动”。

  但是,已经有人开始庆祝,史蒂芬-霍金便是其中之一。这位爱好和别人打赌,去年曾经因希格斯粒子被发现而输掉一百美元的科学家,这次终于因为原初引力波被发现而扳回一局。

  和霍金打赌的是剑桥大学的计算物理学家尼尔-图洛克。与支持暴涨理论的霍金不同,图洛克相信另一种关于宇宙起源的解释:无论是时间还是宇宙都没有开始或者结束。宇宙进化过程是循环往复的,“大爆炸”每一万亿年发生一次,每一次都伴随着新物质和新辐射的产生,并形成新的星系、恒星、行星以及生命。我们不过是最近一次循环的组成部分。

  “大家都要考虑一下是不是对以前的研究结果有影响。”夏俊卿发现,新闻发布会结束后两三天时间里,就已经有三四篇有关此问题的论文被发表。

  而新闻发布会后,哈佛大学所在的美国马萨诸塞州还没有迎来当天的落日,第一篇讨论这一探测结果的论文已经在一个物理学专业数据库中出现。

  “很快就会迎来一阵‘大扫除’,很多东西会被清除出去,”麻省理工学院的宇宙学家马克思-泰格马克在接受采访时说,“受到影响的不仅仅是实验领域,也包括理论学界。”

  就连为自己找到坚实基础的“暴涨”理论,也将面临一场严格的自我审查。自从古斯等人提出以后,该理论经过多人修改完善,至今已包括许多不同的模型。陈学雷告诉记者,由于每种理论都预测了不同的原初引力波强度,因此这次发现将帮助人们排除许多模型。根据林德估算,其中90%的模型都要被人们摒弃。

  但是,“大扫除”过后,随着“暴涨”理论更加完善,或许一些关于宇宙更为奇妙的事实将会陆续如万花筒般展开。其中包括,宇宙的暴涨并非只是138亿年之前的那一次暴涨。在我们生存的宇宙之外,一个更大的时空里,可能随时随地都在发生暴涨,每暴涨一下都有可能形成一个宇宙,并在其中生成恒星,行星,甚至生命。

  “其他宇宙永无止境地成长着,就像煮面条的水不停地溢出来那样。”有文章如此形容。

  相关阅读
  "原初引力波"透露奇特信息 宇宙之外或还有宇宙
  专访引力波"第一发现者" 宇宙正增长获直接证据
  爱因斯坦再创神奇 "原初引力波"发现具4大意义
  揭秘电子诡异特性 既是粒子又是波捕捉需"观测"
  大质量恒星周围存"旋转圆盘" 竟暗藏神秘电波源

网友评论以下评论只代表网友个人观点,不代表科学网观点 已有条评论