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美国哈佛—史密森天体物理学中心等机构组成的联合研究团队在北京时间2014年3月18日宣布,他们发现了被爱因斯坦称之为“时空涟漪”的宇宙原初引力波存在的直接证据,进而可以有力证明暴涨理论的可靠性。早在几年前,就有科学家预言,由于宇宙大爆炸产生的引力波可能会作用于宇宙微波背景,并且留下暴涨的证据。

在过去的一个多世纪里,宇宙大爆炸理论早已站稳了脚跟,几乎没有人怀疑它的可靠性。宇宙是起源于大约138亿年前的一场大爆炸,原初宇宙的直径只有10-35米,经过138亿年的膨胀,直径已有800多亿光年。然而,从无穷小的尺度到无穷大的尺度变换,如果以目前宇宙膨胀的速度来看,是不可能实现的。美国物理学家阿兰·古斯最早提出了宇宙暴涨的假设,从大爆炸之后的10-36秒开始持续到10-33秒到10-32秒之间,宇宙空间膨胀了至少1078倍,可见这次瞬间的膨胀有多么剧烈。

暴涨理论之所以能成为宇宙是如何发展到现在的状况的主导理论,理由远不止于此。宇宙自其诞生后大约38万年以来便充满辐射,这种粒子背景被称作“宇宙微波背景辐射(CMB)”,在对CMB的测量中,科学家发现原始光温度几乎是均匀的。在非暴涨模型下,宇宙不同部分的温度是存在巨大差异的,只是随着时间的推移才达到均衡。然而,目前宇宙的年龄被锁定在138亿年,在宇宙学中,这个年龄实在太年轻了。因此,目前为止宇宙空间是无法达到光温度的均衡的。暴涨理论给出了一个很好的解释。所有的物质最初都从相同的地方以相同的温度开始,由于突然加速膨胀,因此不同部分之间只有微小的温度差异。

根据基本粒子物理学的理论,宇宙从一个很高的温度下降之后,应该有大量的磁单极子,然而我们始终没有观测到它们的身影,即便存在,也可以想象它们非常稀少,这又产生了一个悖论。可同样,暴涨提供了一种说法,因为暴涨可以把原本存在的磁单极子稀释掉了。

此外,暴涨理论还能表明,为什么今天观测到的宇宙是近乎平直的。想象一下,宇宙就像一个被吹得无穷大的气球,它的表面看上去就像一个非常平坦的平面。甚至宇宙形成的内部结构也可以用暴涨理论来解释。所有星系形成之前的种子来源于暴涨时期的量子涨落。那个微小到只有十万分之一的涨落后来被万有引力放大,从而出现了恒星和星系。

早在100多年前,爱因斯坦就在广义相对论中预言了引力波的存在,但他同时指出这种现象将极其微弱,人类恐将永远也无法探测到它。微波背景辐射是光子,光子具有偏振性,它分为两类,一类就好像有源,比如一个电荷引起的电场,是向外发散的,也叫E模式;另一类则没有源,呈旋涡状,这也被称为B模式。而暴涨时期产生的引力波会在微波背景辐射上留下旋涡,也就是B模式的特殊偏振。因此,只要找到引力波在微波背景辐射上留下的特殊印迹,就意味着可以找到暴涨理论存在的直接证据。研究人员在适合观测宇宙大爆炸微弱余波的南极,发现了比预期中要强烈得多的一个B模式极化信号。用三年多的时间检验这些数据,排除了其他可能的来源,证实是由引力波留下的。

仅仅看到暴涨理论的优势,也就不存在物理学家对此的争论。事实上,暴涨理论自身还存在重要的谜团没有解开。

(选自胡珉琦《“时空涟漪”力证宇宙暴涨》)