发现引力波第一作者, 引力波六问六答|163

哈佛大学的约翰·科瓦克博士向世界宣布他和他的射电天文学团队发现了来自大爆炸的引力波证据。他们是根据对宇宙微波背景辐射(CMB)的研究得到这一结果的，CMB常常被天文学家们称作是“大爆炸的余晖”。他们的研究工作使用的是BICEP2，这是一台架设在南极的实验性望远镜设备。研究组对宇宙微波背景辐射的偏振信号开展研究，就像是光线中存在的偏振现象一样。

结果他们得到一张偏振地图，它的样子让人感觉就像是在磁场中洒在一个平面上的铁粉，拥有一种独特的，略呈涡旋状，或卷曲状的形态，这种现象被称作“B模”。这是宇宙在暴涨过程中产生的引力波扩散的证据。而所谓暴涨是指宇宙在大爆炸之后经历的一段短暂的极速膨胀时期。如果这项发现被证实，那么它将让我们现有的宇宙学理论建立在一个坚实的基础之上。而对于挤出物理学的研究也将具有重要意义。

引力波是携带能量穿过宇宙的涟漪。它最早是在1916年由阿尔伯特·爱因斯坦在其广义相对论中预言的。美国航空航天局(NASA)称，这是迄今为止，证明宇宙膨胀理论最有力的证据。到底什么是引力波?此次发现的意义何在?

1、什么是引力波?

引力波是携带能量穿过宇宙的涟漪。它最早是在1916年由阿尔伯特·爱因斯坦在其广义相对论中预言的。尽管这一现象的存在已经有了大量的证据可以间接证明，但却从未能被科学家们直接观测到。其中的原因是这种效应太过微弱——其波动的幅度远小于一颗原子的100万倍。就像是湖面上的细微波纹——从远处看，整个湖面几乎是像镜子一样光滑的;仅有当你近距离观察湖面时才能察觉那些最细微的细节。

这里尤其引人注意的是，此次所观测到的是所谓“原初引力波”，这是宇宙诞生时刻发出的引力波痕迹，它隐藏着有关宇宙如何形成的关键信息。

2、什么是广义相对论?

1916年，德国物理学家爱因斯坦发现了一种数学的方法来解释引力的本质。他将其称之为“广义相对论”。这一理论依靠一系列的坐标系统，将时间与空间结合在一起进行描述，即所谓的“时空”概念。

物质和能量会造成时空的扰动，就像是重物压在床垫上会凹陷一样。正是这种时空的扰动或扭曲产生了引力。而引力波正是时空中的涟漪。

广义相对论并非完全是难以理解的数学。它拥有深远的实际应用意义，比如它告诉我们引力如何对时间造成影响，而这对于现代的卫星导航定位就十分关键。

3、这项发现的重要意义在哪里?

如果哈佛大学的科学家们此次的发现被证实，那么有两个理由认为这将是极重要的成就。首先，它开启了研究宇宙的一扇全新大门，从而让天文学家们得以考察产生这些引力波的背后机制和过程。第二，它证明一项关键性的理论，即所谓“暴涨”理论是正确的。这将帮助科学家们更好的了解宇宙的起源，即大爆炸理论。

4、引力波是如何被探测到的?

这是一台设置在南极的望远镜，名为“宇宙泛星系偏震背景成像”(Bicep)。科学家们利用这台设备探测宇宙微波背景辐射中一种微弱的特性。这种辐射是宇宙诞生之初的大爆炸中产生的，最早在1964年由两位美国科学家使用一台射电望远镜发现，自那之后便被称作是“大爆炸的回声”。Bicep对这一微波背景辐射的大尺度偏振状态进行了测量。只有原初引力波才具有这种特殊性质，也只有当它们被暴涨放大之后才能被探测到。

5、什么是暴涨?

宇宙大爆炸理论最初是由比利时牧师兼物理学家乔治·勒梅特(Georges Lematre)提出的。他将其称为是“没有昨天的一天”，因为那是时间和空间的开端。

但大爆炸理论并非与所有天文观测结果相吻合。宇宙中物质的分布太过均匀，以至于难以用原先认为的大爆炸理论进行解释。于是在上世纪1970年代，宇宙学家们提出宇宙在大爆炸之后的短暂时期曾经经历一段急剧快速膨胀的阶段，这就是暴涨，它被认为发生在宇宙诞生后的一瞬间。但要想证明这一点是极端困难的。只有暴涨才能将原初引力波放大到足以被检测到的水平。因此如果我们能够探测到原初引力波，那么这就意味着暴涨必定确实发生过。

6、下一步做什么?宇宙学家们还有活干吗?

当然。现在才只是万里长征走完了第一步。爱因斯坦本人便已经意识到他的广义相对论与物理学的另一项基础理论：量子论之间不相容。广义相对论从宏观尺度上探讨引力和宇宙，而量子论则从微观尺度上探讨粒子以及其他的自然力。全世界的物理学家们都无法找到让这两大理论相容的方法。原初引力波是当引力、宇宙与粒子以及其他自然力在同一尺度下运作时产生的效应。此次探测的结果以及后续的进一步分析将告诉我们这一点是如何实现的。而如果这一点被理解，那它将有助于物理学家们最终构建起所谓的“终极万物定理”。

科瓦克是一名任职于哈佛大学-史密松天体物理中心的射电天文学家。以下他回答了一些《自然》杂志提出的问题：

问：在BICEP2有关宇宙微波背景辐射的数据中我们看到了什么?

答：我们最看重的结果是我们探测到的结果对于暴涨模型的意义究竟是什么。我们看到的是原初引力波的直接图像，它让光线呈现一种独特的偏振模式。宇宙微波背景辐射是宇宙在大爆炸之后38万年时留下的痕迹，当时辐射首次得以自由穿过空间，而引力波则是在宇宙大爆炸之后一瞬间便出现，并被叠加在了CMB的信号之中。

问：那么这项发现还有哪些其他的重要方面?

宇宙学领域的任何人都知道，但并不都是人人赞同的一点是，要想对暴涨过程的B模形态进行预测，不仅取决于引力波现象，还有引力本身的偏振性。暴涨假设一切物质都源于量子振荡，随后在暴涨的过程中被放大。因此从深层来说，这项发现的基础就在于量子力学以及引力理论必须是正确的。

问：这一次在BICEP2的数据中观察到的B模偏振性要比普朗克空间望远镜得到的结果高出几乎两倍，这一点是否有什么问题?

答：普朗克的数据来自一张CMB的温度分布图，而不是直接进行的偏振性测量。我们在进行分析时一直万分小心谨慎，但我必须承认我们的数据相比普朗克的数据显示出的高信噪比让我们在过去的三年时间里一直在试图找出所有可能导致误差的系统性解释。我们已经做了最充分的系统分析，那是我到目前为止做过最详尽的这类分析工作。

问：你是在何时意识到自己可能已经找到了人们长期梦寐以求的“暴涨理论的直接证据”?

答：去年秋天，当我们首次将BICEP2的信号与BICEP1的信号进行比对的时候。那是非常有力的证据，因为 BICEP1采用了非常不同的探测器，使用了老得多的技术。我们使用两种完全不同的仪器，采用完全不同的技术，但却检测到同样的信号，这就让怀疑的空间大大减小了。当时我们组内的最后一点质疑也终于被打消了。

12月初的时候我正在南极，我们在那里召开了紧张的会议，我在会上展示了我们的数据已经通过的检验，并列出了还需要通过哪些检验，并决定一旦那些检验也全部通过，我们就要发表我们的论文。

问：当时你们庆祝了吗?或者在那之后的什么时候你们庆祝了吗?

答：我在团队中的作用就是要在任何时候保持冷静。我想我们真正庆祝的时刻应该是在我们发表最终结果并将其介绍给科学界的时候。

问：你当初是如何对宇宙微波背景辐射的问题产生兴趣的?

还是在高中时代吧，我读了史蒂芬·温伯格(Steven Weinberg)关于宇宙学的书《最初三分钟》，非常精彩。我立刻被它吸引了，我还记得里面读到的一些内容：

“现在，我们迎来一个完全不一样的天文学，这是一个即便在10年之前都不可能被讲述的故事。我们所研究的将不再是与银河系或多或少相似的星系在数亿年前发出的光，而是几乎来自宇宙诞生之时留下，到处弥漫的射电背景。”

这一段话是温伯格在介绍宇宙微波背景辐射的发现以及它的意义，当时对于宇宙学来说这些内容还非常新鲜。我那时还是一个孩子，我觉得这是所有的科学中最酷的一种——因为再也没有比这更大的问题了。

我之所以选择到普林斯顿念大学，有一部分原因是我在那本书里看到它提过这个大学。在CMB研究领域的几位大人物，吉姆·皮泊斯(Jim Peebles)，罗伯特·迪克(Robert Dicke)以及大卫·威尔金森(David Wilkinson)等都在这所学校。而极其幸运的是，我竟然有幸被选中在威尔金森的门下学习。威尔金森带我走进了CMB实验室，当时他们正计划在南极建造一台CMB望远镜。我完全被迷住了，实际上我当时甚至花费了整整一年时间跑到学校外面，想靠自己的能力去南极。当时大概是1990年或1991年，就在COBE卫星首次发现CMB中的震荡起伏现象之前没多久。我们设在南极的望远镜观测到了同样的现象，但比他们晚了一年左右。自那之后我就一直在从事这项工作，我去了南极23次，很幸运自己能在CMB研究领域的最前沿工作。