發現引力波第一作者, 引力波六問六答

哈佛大學的約翰·科瓦克博士向世界宣佈他和他的射電天文學團隊發現了來自大爆炸的引力波證據。他們是根據對宇宙微波背景輻射(CMB)的研究得到這一結果的，CMB常常被天文學家們稱作是“大爆炸的餘暉”。他們的研究工作使用的是BICEP2，這是一臺架設在南極的實驗性望遠鏡設備。研究組對宇宙微波背景輻射的偏振信號開展研究，就像是光線中存在的偏振現象一樣。

結果他們得到一張偏振地圖，它的樣子讓人感覺就像是在磁場中灑在一個平面上的鐵粉，擁有一種獨特的，略呈渦旋狀，或捲曲狀的形態，這種現象被稱作“B模”。這是宇宙在暴漲過程中產生的引力波擴散的證據。而所謂暴漲是指宇宙在大爆炸之後經歷的一段短暫的極速膨脹時期。如果這項發現被證實，那麼它將讓我們現有的宇宙學理論建立在一個堅實的基礎之上。而對於擠出物理學的研究也將具有重要意義。

引力波是攜帶能量穿過宇宙的漣漪。它最早是在1916年由阿爾伯特·愛因斯坦在其廣義相對論中預言的。美國航空航天局(NASA)稱，這是迄今爲止，證明宇宙膨脹理論最有力的證據。到底什麼是引力波?此次發現的意義何在?

1、什麼是引力波?

引力波是攜帶能量穿過宇宙的漣漪。它最早是在1916年由阿爾伯特·愛因斯坦在其廣義相對論中預言的。儘管這一現象的存在已經有了大量的證據可以間接證明，但卻從未能被科學家們直接觀測到。其中的原因是這種效應太過微弱——其波動的幅度遠小於一顆原子的100萬倍。就像是湖面上的細微波紋——從遠處看，整個湖面幾乎是像鏡子一樣光滑的;僅有當你近距離觀察湖面時才能察覺那些最細微的細節。

這裡尤其引人注意的是，此次所觀測到的是所謂“原初引力波”，這是宇宙誕生時刻發出的引力波痕跡，它隱藏着有關宇宙如何形成的關鍵信息。

2、什麼是廣義相對論?

1916年，德國物理學家愛因斯坦發現了一種數學的方法來解釋引力的本質。他將其稱之爲“廣義相對論”。這一理論依靠一系列的座標系統，將時間與空間結合在一起進行描述，即所謂的“時空”概念。

物質和能量會造成時空的擾動，就像是重物壓在牀墊上會凹陷一樣。正是這種時空的擾動或扭曲產生了引力。而引力波正是時空中的漣漪。

廣義相對論並非完全是難以理解的數學。它擁有深遠的實際應用意義，比如它告訴我們引力如何對時間造成影響，而這對於現代的衛星導航定位就十分關鍵。

3、這項發現的重要意義在哪裡?

如果哈佛大學的科學家們此次的發現被證實，那麼有兩個理由認爲這將是極重要的成就。首先，它開啓了研究宇宙的一扇全新大門，從而讓天文學家們得以考察產生這些引力波的背後機制和過程。第二，它證明一項關鍵性的理論，即所謂“暴漲”理論是正確的。這將幫助科學家們更好的瞭解宇宙的起源，即大爆炸理論。

4、引力波是如何被探測到的?

這是一臺設置在南極的望遠鏡，名爲“宇宙泛星系偏震背景成像”(Bicep)。科學家們利用這臺設備探測宇宙微波背景輻射中一種微弱的特性。這種輻射是宇宙誕生之初的大爆炸中產生的，最早在1964年由兩位美國科學家使用一臺射電望遠鏡發現，自那之後便被稱作是“大爆炸的回聲”。Bicep對這一微波背景輻射的大尺度偏振狀態進行了測量。只有原初引力波才具有這種特殊性質，也只有當它們被暴漲放大之後才能被探測到。

5、什麼是暴漲?

宇宙大爆炸理論最初是由比利時牧師兼物理學家喬治·勒梅特(Georges Lema^itre)提出的。他將其稱爲是“沒有昨天的一天”，因爲那是時間和空間的開端。

但大爆炸理論並非與所有天文觀測結果相吻合。宇宙中物質的分佈太過均勻，以至於難以用原先認爲的大爆炸理論進行解釋。於是在上世紀1970年代，宇宙學家們提出宇宙在大爆炸之後的短暫時期曾經經歷一段急劇快速膨脹的階段，這就是暴漲，它被認爲發生在宇宙誕生後的一瞬間。但要想證明這一點是極端困難的。只有暴漲才能將原初引力波放大到足以被檢測到的水平。因此如果我們能夠探測到原初引力波，那麼這就意味着暴漲必定確實發生過。

6、下一步做什麼?宇宙學家們還有活幹嗎?

當然。現在才只是萬里長征走完了第一步。愛因斯坦本人便已經意識到他的廣義相對論與物理學的另一項基礎理論：量子論之間不相容。廣義相對論從宏觀尺度上探討引力和宇宙，而量子論則從微觀尺度上探討粒子以及其他的自然力。全世界的物理學家們都無法找到讓這兩大理論相容的方法。原初引力波是當引力、宇宙與粒子以及其他自然力在同一尺度下運作時產生的效應。此次探測的結果以及後續的進一步分析將告訴我們這一點是如何實現的。而如果這一點被理解，那它將有助於物理學家們最終構建起所謂的“終極萬物定理”。

科瓦克是一名任職於哈佛大學-史密鬆天體物理中心的射電天文學家。以下他回答了一些《自然》雜誌提出的問題：

問：在BICEP2有關宇宙微波背景輻射的數據中我們看到了什麼?

答：我們最看重的結果是我們探測到的結果對於暴漲模型的意義究竟是什麼。我們看到的是原初引力波的直接圖像，它讓光線呈現一種獨特的偏振模式。宇宙微波背景輻射是宇宙在大爆炸之後38萬年時留下的痕跡，當時輻射首次得以自由穿過空間，而引力波則是在宇宙大爆炸之後一瞬間便出現，並被疊加在了CMB的信號之中。

問：那麼這項發現還有哪些其他的重要方面?

宇宙學領域的任何人都知道，但並不都是人人贊同的一點是，要想對暴漲過程的B模形態進行預測，不僅取決於引力波現象，還有引力本身的偏振性。暴漲假設一切物質都源於量子振盪，隨後在暴漲的過程中被放大。因此從深層來說，這項發現的基礎就在於量子力學以及引力理論必須是正確的。

問：這一次在BICEP2的數據中觀察到的B模偏振性要比普朗克空間望遠鏡得到的結果高出幾乎兩倍，這一點是否有什麼問題?

答：普朗克的數據來自一張CMB的溫度分佈圖，而不是直接進行的偏振性測量。我們在進行分析時一直萬分小心謹慎，但我必須承認我們的數據相比普朗克的數據顯示出的高信噪比讓我們在過去的三年時間裡一直在試圖找出所有可能導致誤差的系統性解釋。我們已經做了最充分的系統分析，那是我到目前爲止做過最詳盡的這類分析工作。

問：你是在何時意識到自己可能已經找到了人們長期夢寐以求的“暴漲理論的直接證據”?

答：去年秋天，當我們首次將BICEP2的信號與BICEP1的信號進行比對的時候。那是非常有力的證據，因爲 BICEP1採用了非常不同的探測器，使用了老得多的技術。我們使用兩種完全不同的儀器，採用完全不同的技術，但卻檢測到同樣的信號，這就讓懷疑的空間大大減小了。當時我們組內的最後一點質疑也終於被打消了。

12月初的時候我正在南極，我們在那裡召開了緊張的會議，我在會上展示了我們的數據已經通過的檢驗，並列出了還需要通過哪些檢驗，並決定一旦那些檢驗也全部通過，我們就要發表我們的論文。

問：當時你們慶祝了嗎?或者在那之後的什麼時候你們慶祝了嗎?

答：我在團隊中的作用就是要在任何時候保持冷靜。我想我們真正慶祝的時刻應該是在我們發表最終結果並將其介紹給科學界的時候。

問：你當初是如何對宇宙微波背景輻射的問題產生興趣的?

還是在高中時代吧，我讀了史蒂芬·溫伯格(Steven Weinberg)關於宇宙學的書《最初三分鐘》，非常精彩。我立刻被它吸引了，我還記得裡面讀到的一些內容：

“現在，我們迎來一個完全不一樣的天文學，這是一個即便在10年之前都不可能被講述的故事。我們所研究的將不再是與銀河系或多或少相似的星系在數億年前發出的光，而是幾乎來自宇宙誕生之時留下，到處瀰漫的射電背景。”

這一段話是溫伯格在介紹宇宙微波背景輻射的發現以及它的意義，當時對於宇宙學來說這些內容還非常新鮮。我那時還是一個孩子，我覺得這是所有的科學中最酷的一種——因爲再也沒有比這更大的問題了。

我之所以選擇到普林斯頓念大學，有一部分原因是我在那本書裡看到它提過這個大學。在CMB研究領域的幾位大人物，吉姆·皮泊斯(Jim Peebles)，羅伯特·迪克(Robert Dicke)以及大衛·威爾金森(David Wilkinson)等都在這所學校。而極其幸運的是，我竟然有幸被選中在威爾金森的門下學習。威爾金森帶我走進了CMB實驗室，當時他們正計劃在南極建造一臺CMB望遠鏡。我完全被迷住了，實際上我當時甚至花費了整整一年時間跑到學校外面，想靠自己的能力去南極。當時大概是1990年或1991年，就在COBE衛星首次發現CMB中的震盪起伏現象之前沒多久。我們設在南極的望遠鏡觀測到了同樣的現象，但比他們晚了一年左右。自那之後我就一直在從事這項工作，我去了南極23次，很幸運自己能在CMB研究領域的最前沿工作。

問：在你的書架上你放了一張加州理工學院已故的天體物理學家安德魯·朗吉(Andrew Lange)的照片。他在2010年由於抑鬱症自殺身亡。在他生前曾經指導過很多後來從事CMB實驗工作的學生。他在你的事業過程中起到了什麼樣的作用?

答：在我來哈佛大學之前，我曾經在加州理工安德魯的實驗室做博士後研究工作，之後又升爲高級研究員。安德魯是我的良師益友。他將重大的責任賦予我，鼓勵我參與BICEP1 望遠鏡的安裝與操作，並引領我擔任下一代項目，即BICEP2的首席科學家以及第一作者的角色。

安德魯喜歡把搜尋B模偏振描述爲“宇宙中最大的徒勞無益之事”。我想他一定會很高興看到我們今天的這項研究成果，並證明那並非徒勞!

我也是芝加哥大學天文學家約翰·卡爾斯特姆(John Carlstrom)的研究生。儘管現在約翰是我的競爭者，但他同時也是我最親密的朋友之一。我有兩位偉大的導師。

問：你的兒子多大了?他對於你的研究工作怎麼看?

答：我兒子9歲了。他對此感到很興奮。我對他能理解那麼多，甚至向我妻子解釋這些內容感到驚訝。等他再大一些，如果他願意的話，他也可以跟我一起到南極去。