北京時(shí)間3月18日凌晨，來(lái)自美國(guó)哈佛大學(xué)史密森天體物理中心的科學(xué)家宣布，他們發(fā)現(xiàn)了原初引力波穿越嬰兒宇宙留下的印記，這是宇宙剛剛誕生時(shí)急劇膨脹的首個(gè)直接證據(jù)。
美國(guó)航空航天局（NASA）稱(chēng)，這是迄今為止，證明宇宙暴漲理論最有力的證據(jù)。這一重大發(fā)現(xiàn)一旦證實(shí)，將有望幫助弄清宇宙誕生之謎，被認(rèn)為是諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)別的重大成果。
這一實(shí)驗(yàn)的原理是什么？這一重大發(fā)現(xiàn)有何意義，它又會(huì)對(duì)理論物理研究產(chǎn)生哪些影響？我們國(guó)家在該領(lǐng)域的研究水平如何？本報(bào)記者就這些問(wèn)題采訪了相關(guān)專(zhuān)家。
原初引力波留下的獨(dú)特印記，傳遞宇宙極早期的物理信息
據(jù)介紹，美國(guó)哈佛史密森天體物理學(xué)中心等機(jī)構(gòu)的研究人員利用位于南極的BICEP2望遠(yuǎn)鏡，對(duì)宇宙大爆炸的“余燼”——微波背景輻射進(jìn)行觀測(cè)。宇宙微波背景輻射的光子因?yàn)榕c電子發(fā)射散射而具有偏振性，新研究尋找的是一種叫作B模式的特殊偏振模式，其特點(diǎn)是會(huì)形成旋渦，是宇宙極早期的一種時(shí)空波動(dòng)——原初引力波留下的獨(dú)特印記。南極是地球上觀測(cè)微波背景輻射的最佳地點(diǎn)之一，研究人員在這里意外發(fā)現(xiàn)了比“預(yù)想的強(qiáng)烈得多”的B模式偏振信號(hào)。
研究人員經(jīng)過(guò)3年多的分析，排除了其他可能的來(lái)源，確認(rèn)它就是暴漲期間原初引力波穿越宇宙導(dǎo)致的。這意味著宇宙暴漲理論獲得迄今最有力的證據(jù)。
“探測(cè)到與原初引力波相關(guān)的B模式偏振信號(hào)，是對(duì)暴漲理論的重要檢驗(yàn)?！北本┐髮W(xué)物理學(xué)院教授范祖輝說(shuō)。
宇宙是如何形成的？這一問(wèn)題一直備受關(guān)注。
1932年，比利時(shí)牧師兼物理學(xué)家喬治·勒梅特首次提出現(xiàn)代宇宙大爆炸理論，認(rèn)為宇宙由大約140億年前發(fā)生的大爆炸形成。但大爆炸理論并沒(méi)有與所有天文觀測(cè)結(jié)果相吻合。為解釋疑點(diǎn)，半個(gè)世紀(jì)后，麻省理工學(xué)院科學(xué)家阿蘭·古斯等人提出“宇宙暴漲理論”，認(rèn)為宇宙大爆炸后的極短暫時(shí)期內(nèi)，曾經(jīng)歷過(guò)一個(gè)急劇快速膨脹的階段，這就是“暴漲”。
“原初引力波會(huì)在微波背景輻射中留下痕跡，產(chǎn)生所謂的B模式偏振。”中科院高能物理研究所研究員夏俊卿說(shuō)。
“B模式偏振的特點(diǎn)是會(huì)形成旋渦，可以說(shuō)是原初引力波留下的獨(dú)特印記。這一信號(hào)就如同信使，能將宇宙極早期的物理信息傳遞給我們。因此，探測(cè)到微波輻射中與原初引力波相關(guān)的B模式偏振信號(hào)，無(wú)疑是對(duì)暴漲理論的重要檢驗(yàn)?！狈蹲孑x說(shuō)。
一直以來(lái)，測(cè)量宇宙微波背景輻射（CMB）是宇宙學(xué)研究領(lǐng)域最重要的研究方向。1989年，美國(guó)的COBE衛(wèi)星最先發(fā)現(xiàn)了CMB的溫度漲落各向異性，這一成果獲得了2006年的諾貝爾獎(jiǎng)；2002年，位于南極的DASI探測(cè)到了CMB的E模式極化信息。但是原初引力波的信號(hào)一直沒(méi)有被觀測(cè)到。
在天體物理學(xué)家看來(lái)，此次觀測(cè)到的結(jié)果一旦被確認(rèn)，將成為暴漲理論的首個(gè)直接觀測(cè)證據(jù)。
是廣義相對(duì)論的又一有力證據(jù)，宇宙學(xué)研究將進(jìn)入新階段
“原初引力波的發(fā)現(xiàn)，是廣義相對(duì)論的又一有力證據(jù)?！敝锌圃焊吣芪锢硭芯繂T張新民說(shuō)，“之前廣義相對(duì)論的其他預(yù)言如光線的彎曲、水星的近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)以及引力紅移效應(yīng)都已獲得證實(shí)。唯有原初引力波因信號(hào)極其微弱，很難測(cè)量，而一直徘徊在天文學(xué)家‘視線’之外?！?/p>
科學(xué)家普遍認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)打開(kāi)了觀測(cè)宇宙的一扇新窗戶(hù)。
從事引力波研究多年的美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)理論物理學(xué)家勞倫斯·克勞斯表示，引力波被測(cè)量到，意味著人們可以通過(guò)引力波而一直追溯到大爆炸之后僅僅10的負(fù)35方秒的極早時(shí)期，同時(shí)引力波也可以作為另一種觀測(cè)宇宙的手段，引力波天文學(xué)這門(mén)新學(xué)科的大門(mén)也由此打開(kāi)。
夏俊卿認(rèn)為，宇宙學(xué)研究，特別是宇宙微波背景輻射領(lǐng)域的研究，也將進(jìn)入新的階段。“這一發(fā)現(xiàn)將極大鼓舞科學(xué)家的士氣，并促進(jìn)相關(guān)國(guó)家進(jìn)一步加大科研經(jīng)費(fèi)和人力資源投入。”
“探測(cè)原初引力波信號(hào)也會(huì)對(duì)宇宙早期的暴漲模型進(jìn)行限制，因?yàn)槔碚撋媳q模型有很多種，新結(jié)果如果被確認(rèn)是正確的，很多暴漲模型都會(huì)被排除。”范祖輝說(shuō)。
一些物理學(xué)家認(rèn)為，這是一項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)別的發(fā)現(xiàn)。勞倫斯·克勞斯在接受新華社記者采訪時(shí)說(shuō)，雖然這項(xiàng)成果還需要得到進(jìn)一步驗(yàn)證，但“無(wú)論怎樣，都令人激動(dòng)”。如被證實(shí)，將“可以躋身過(guò)去25年最重要的宇宙學(xué)發(fā)現(xiàn)之列”。
數(shù)據(jù)結(jié)果仍待驗(yàn)證，我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域研究還處于起步階段
“對(duì)于一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，一定要小心謹(jǐn)慎?！睆埿旅裾f(shuō)。
“這個(gè)發(fā)現(xiàn)也需要其他實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。多年來(lái)，全球多個(gè)天文臺(tái)都在尋找原初引力波，包括歐洲空間局普朗克衛(wèi)星、智利北部的‘時(shí)空波動(dòng)’望遠(yuǎn)鏡。目前這方面很快能驗(yàn)證這個(gè)結(jié)果的是普朗克衛(wèi)星，估計(jì)再有幾個(gè)月他們也會(huì)公布類(lèi)似的數(shù)據(jù)?！睆埿旅裾f(shuō)。
夏俊卿正是普朗克探測(cè)器低頻組的核心成員，他告訴記者，在這個(gè)新結(jié)果之前，普朗克衛(wèi)星項(xiàng)目在去年公布了第一期的觀測(cè)結(jié)果，結(jié)果顯示與史密森天體物理中心的這個(gè)新結(jié)果有些不太一致。
“普朗克項(xiàng)目預(yù)計(jì)在今年6月會(huì)公布第二期的觀測(cè)結(jié)果，新結(jié)果中會(huì)包含和BICEP實(shí)驗(yàn)類(lèi)似的信息，這對(duì)于確認(rèn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果很重要?！毕目∏湔f(shuō)。
專(zhuān)家們普遍認(rèn)為，探測(cè)到引力波后，科學(xué)家接下來(lái)將進(jìn)一步更細(xì)致地研究引力波的性質(zhì)以及由此帶來(lái)的對(duì)宇宙的新認(rèn)識(shí)。
“我國(guó)在宇宙微波背景輻射領(lǐng)域的研究還處于起步階段，但是也一直在做一些有特色的工作。比如我和夏俊卿研究員等人在2006年提出利用CMB的極化數(shù)據(jù)檢驗(yàn)CPT對(duì)稱(chēng)性，這一工作已經(jīng)被目前的CMB實(shí)驗(yàn)組所認(rèn)可，他們都會(huì)在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中用我們的方法。比如這次BICEP實(shí)驗(yàn)組就是基于我們的工作，提出了新的實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)辦法，提高了實(shí)驗(yàn)精度?！睆埿旅裾f(shuō)。
據(jù)張新民介紹，中國(guó)科學(xué)家目前正在和法國(guó)等國(guó)家合作，在南極建造望遠(yuǎn)鏡來(lái)測(cè)量CMB，高精度的測(cè)量極化B模式。
原初引力波（延伸閱讀）
現(xiàn)代宇宙學(xué)理論認(rèn)為，宇宙大爆炸之后在很短的時(shí)間里經(jīng)歷了一次暴漲階段，宇宙的尺度發(fā)生了劇烈膨脹，時(shí)空拉伸而產(chǎn)生了引力波。原初引力波的發(fā)現(xiàn)，是廣義相對(duì)論的又一有力證據(jù)。
?。ㄔd于《人民日?qǐng)?bào)》 2014-03-20 12版）
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