宇宙背景微光中寻获引力波印迹！

宇宙微波背景辐射中引力波产生的[大爆炸废热-B模式极化信号(图中的卷曲形状)。据说这是在宇宙诞生的第一瞬间第一次直接观察到宇宙飞速膨胀的证据。资料来源:哈佛-史密森尼天体物理学中心]

北京时间3月18日凌晨，哈佛-史密森尼天体物理中心召开新闻发布会，宣布了一项重大发现:他们在宇宙微波背景辐射中发现了引力波留下的b模式极化信号。这一发现可以被称为宇宙学研究的“圣杯”，被称为“观测宇宙学的又一个划时代的发现”。那么，这个发现到底是什么，它的意义是什么？让我们来看看天文学家菲尔·普莱特在他的博客“巴达斯特罗学”上的评论。

这是一个大新闻:天文学家已经正式宣布，他们第一次在非常早期的宇宙中看到了“暴涨”的直接证据，从而揭开了宇宙进化历史的新篇章。这一发现在非常深的层次上仍然将相对论和量子力学联系在一起，这在以前从未发生过。

这个消息非常重要而且有趣。然而，这也是极其困难的——可能是我写过的最复杂的发现。这和希格斯玻色子不一样，至少后者可以用一两个词清楚地勾勒出轮廓。然而，这一新发现开启了宇宙深化历史的一个关键节点，并对物理学产生了深远的影响。

这是怎么回事？

我们知道宇宙正在膨胀。不管我们看哪里，遥远的星系离我们很远。如果我们把时钟拨回，这意味着宇宙过去比现在小，在某个时间点体积必须(接近)为零。这个时间点通常被称为“大爆炸”，它是宇宙膨胀的起点。我们现在离大爆炸还有138.2亿年。

当然，在此期间发生了许多事情，其中许多发生在大爆炸后不到1秒钟的第一瞬间。激增就是其中之一。

我不得不承认，这种激增会让你的大脑有点抽搐。它发生在大爆炸后大约10-35秒。为了让你更直观地理解这么短的时间有多短，让我们把表达式改为0.000000000000000000000000000000000000000000001秒！它在大爆炸后只持续了大约10-32秒，所以按照人类的标准，它非常短。但是我们的宇宙是在如此短的时间内“锻造”的。

在此期间，宇宙经历了极度膨胀，原因尚不清楚。这种膨胀正在加速，这与目前宇宙的膨胀速度完全不同。一些模型显示，在繁荣时期，宇宙的大小增加了1050倍(一些模型甚至想得更多)——换句话说，当宇宙太小对我们来说没有任何意义的时候，它增长了100亿倍。

正如我之前说过的，飙升会让你的大脑有点抽搐。

[南极的BICEP2望远镜是这一发现的伟大贡献者。资料来源:BICEP2]

为什么它会飙升？我们认为膨胀发生的原因是因为宇宙看起来非常均匀和平滑。你可能认为宇宙一点也不平滑。显然，有些地方物质和能量密集，而其他地方则完全空无一人。然而，如果我们在一个非常大的尺度上观察遥远而古老的宇宙，我们会发现宇宙非常平滑。望远镜可以观察宇宙的深处，检查宇宙诞生时留下的余热，并测量其中的起伏。令人惊讶的是，这种波动只有十万分之一左右。繁荣解决了这个问题:起初宇宙是崎岖不平的，但在那段极度膨胀的时期，所有的起伏都被抚平了。就像一张皱巴巴的纸。从四面八方拉起床单，折痕就消失了。

不仅如此，暴涨还解决了宇宙的几何问题。我不会在这里解释细节，如果你感兴趣，你可以找到更多的内容阅读。关键是天文学家们想出了一个飞速发展的想法来解释我们在现在的宇宙中看到的一些奇怪的特征，并且飞速发展确实做得很好。多年来，它表现良好。

但问题是，所有这些只能是间接证据。科学家更喜欢直接证据，但是我们以前没有发现任何直接证据。

时空中的涟漪，直到现在。这正是新公布的结果所证明的。飞速增长的模型预测宇宙中还有其他痕迹。其中之一是当宇宙经历快速膨胀时，时空结构会产生涟漪，称为引力波。这些引力波实际上是空间本身非常轻微的膨胀和压缩。它们将像声波一样在时空连续体中传播。我们知道引力波的存在——我们已经在天文观测中看到了它们的影响，两位天文学家因发现引力波的例子而分享了1993年诺贝尔物理学奖。然而，很难看到宇宙飞速发展时期的引力波。

我们看不到这些引力波，但是我们可以探测到它们的光的影响，特别是那些来自早期宇宙的光。引力波使这些光波偏振，在某种意义上，这相当于以特定的方式排列它们。偏振光有很多方法，所有的方法都不同，但是引力波可以留下一个非常特殊的偏振模式(称为B模式偏振，它可以扭曲和卷曲偏振方向，见本文的主题图)。在大爆炸留下的余辉中发现这种偏振模式将成为引力波的明显证据。B模式偏振信号是位于南极洲的名为BICEP2的望远镜最终探测到的偏振模式。

[宇宙膨胀将在微波背景辐射模式中留下独特的极化模式。照片来源:《新科学家》

我们还能跟上吗？我知道这些事情似乎离我们的日常生活很远，但事实上，这确实是一件非常大的事情。不久前，飞速发展只是一个伟大的想法，是理解我们的宇宙从诞生到我们今天所见的演变过程中的一个关键环节，但是没有直接的证据证明它确实发生了。现在，我们有直接的证据。

例如，为了填补空白，就像试图写一本关于美国的历史书。我们一直在谈论内战，但我们不确定它是什么时候发生的。现在，我们突然找到了照片，找到了日记，确认了战场的遗迹。由暴涨产生的引力波引起的B模式极化信号的发现就像是宇宙历史书第一章前面的空白页。

这些光向我们展示了宇宙诞生后不到1秒钟的初始阶段发生了什么。这非常关键。理论家们提出了许多不同的物理模型来描述通货膨胀是如何发生的。类似的观察将帮助我们澄清哪些模型有效，哪些无效，哪些模型可能需要调整。例如，这些引力波比模型预测的更强，所以你会知道许多宇宙学家现在正站在黑板前，埋在成堆的纸中间，或者双手叉腰躺在座位上，努力思考必须操纵哪些变量、哪些参数和哪些方程来重现这些新获得的观测结果。

繁荣是宇宙经历巨大相变的时期。找到它的直接证据也将允许我们以类似的方式理解宇宙。

我前面提到的希格斯玻色子是现代粒子物理学的关键。找到它存在的证据是非常重要的。从暴涨的事件中发现引力波存在的证据在宇宙学中同样重要。只要这一发现经得起考验，就肯定有人会获得诺贝尔物理学奖。

但这对你意味着什么？当然，这取决于你自己。我们大多数人都可以快乐地过自己的小生活，而不必过多担心引力波、亚原子粒子或宇宙在创造的第一瞬间是什么样子。

然而，你也可以这样想:现在，我们可以理解宇宙在创造的第一瞬间是什么样子了！这不是痴心妄想、道听途说或道听途说。这项工作是大量研究的结果。这是经得起科学考验而不怕火的“真金”。这是我们人类应用数学、科学、物理和技术数百年后仔细验证的知识。至少到目前为止是这样。

这一发现也具有现实意义。浪涌是基于量子力学，但引力波属于相对论。量子力学给我们带来了许多现代技术，如计算机、太阳能和原子能。相对论在许多方面对我们的日常生活同样重要，例如全球定位系统和核电站。过去，这两个概念是不相容的，但现在我们发现它们之间有着直接而深远的联系。这个结果还是很新的。在我们能更好地理解它之前，我们还有很长的路要走。我们不知道这个协会给我们带来了什么。至少现在还没有。但是每次我们打开一个新的科学领域，总会有各种有趣的事情。我们走着瞧。

最后，我不是宇宙学家。我是一名天文学家。但我也是一个人。当我仰望夜空或通过望远镜看到一幅明亮的图像时，我想知道它们都是从哪里来的，为什么一切都是现在的样子，是什么让我们的宇宙变成今天的样子。我打赌你对此很好奇。

因为我们人类有提问的能力，所以这些问题被一次又一次地提出。现在，科学正在回答这些问题。