一场冲向宇宙黎明的竞赛

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暴胀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。

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。

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看作是规模更小的“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。

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。

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