http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2014-03-26
暴涨理论或证实多重宇宙存在
凤凰科技讯 北京时间2014年3月21日消息,英国每日邮报报道,近日天文学家监测到宇宙大爆炸后1/1045秒的时间内发生的情景。在万物伊始的短暂瞬间,宇宙开始急剧膨胀——这个理论被称为宇宙暴涨理论。根据爱因斯坦的理论,当这种爆炸性事件发生时,它会在时空织布上产生涟漪,也就是所谓的“引力波”。科学家们对有关引力波的重大发现或暗示着,我们的宇宙并非独立存在,它可能是组成“多重宇宙”的众多平行宇宙之一。在这种情境下,在不同的宇宙里可能有不同版本的你在做着不同的事,进行着不同的人生选择。
去年,科学家们表示他们发现了其它宇宙存在的首批“真凭实据”。宇宙学家研究了利用普朗克宇宙飞船收集的数据制成的宇宙地图,它们总结称异常现象只可能是有其它宇宙的引力拖拽作用所引起的。地图显示,现在宇宙里仍能监测到138亿年前宇宙大爆炸的辐射,也就是宇宙微波辐射。科学家们预测这种辐射应该是均匀分布的,然而,地图显示在南半部分天空更高的浓度以及神秘的“冷斑点”的存在,这些都无法利用现有的物理学来解释。北卡罗莱纳州大学教堂山分校的理论物理学家劳拉·梅尔西尼-霍顿(Laura Mersini-Houghton)表示:“这些异常现象都是宇宙大爆炸时形成的其它宇宙对我们宇宙的拖拽作用造成的。”
这张图显示了宇宙从开始到现在的进化图。美国宇航局的科学家们认为宇宙在出生后非常短暂的时间内从亚原子规模膨胀到现在的天文学规模。
多重宇宙理论的基础是这些原始引力波都指向了早期宇宙一种特别强大的膨胀类型。“在大多数模型里,如果产生了暴涨,就会产生多重宇宙。”美国斯坦福大学的物理学家安德烈·林德(Andrei Linde)这样说道。
从左至右的科学家们依次为克莱姆·派克(Clem Pryke)、杰米·博克(Jamie Bock)、郭昭麟(Chao-Lin Kuo)和约翰·科瓦克(John Kovac),他们在美国马萨诸塞州坎布里奇哈佛-史密松天体物理台(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)召开的新闻发布会上宣布有关引力波的突破性成果。
理论学家辩论称,在宇宙大爆炸的余波里,不同类型的宇宙已经存在,从我们熟悉的宇宙到具有完全不同物理特性的宇宙。“当涉及暴涨时,我们宇宙以外的其它宇宙将包裹我们——我们现在所看到的宇宙其实是暴涨停止之后残留下的。”《科学里的大问题》一书的作者科林·斯图尔特(Colin Stuart)这样说道。“我们发现了暴涨理论的确凿证据——这是我们目前为止发现的有关宇宙大爆炸后真正情景的最具体的证据。因此多重宇宙的存在非常有可能。”
另一项多重宇宙理论认为,如果时空永恒存在,那么它一定会在某个点开始重复,因为粒子排列的方式是有限的。多重宇宙理论或可以解释一系列困扰宇宙学家多年的物理过程。例如,1998年的一项发现表明我们宇宙的星系似乎正以加速速率彼此远离。这与另一规则背道而驰,后者认为相互的万有引力会减慢星系彼此远离的速率。
去年,科学家们创造了来自于宇宙只有38万年老时的地图
如果真的存在多重宇宙,那么我们所存在的宇宙可能恰好是暗能量相对较弱的宇宙。此外,多重宇宙理论还可以解决“超弦理论”困境。超弦理论从最基本的层面上将所有亚原子粒子描述为振动的细丝和能量膜。弦理论只适用于10维或者11维空间,而现在我们人类只生活在四维空间。“多重宇宙理论甚至可以解释我们为什么存在。”斯图尔特说道。“我们宇宙里的自然力量,例如引力,似乎被精心的调整以适合生命的存在。”
“任何参数略微的改变都可能创造一个没有恒星、行星和人类的宇宙。为什么我们的宇宙所有的参数都那么完美,恰好适合生命的存在?这似乎并非巧合。然而,如果真的存在多重宇宙,每个宇宙都有各异的参数设定,那么至少有一个是适合生命存在的。”
“我们的存在似乎是高度不可能的,又似乎是不可避免的。事实上,如果存在无限个宇宙,那么肯定存在无限个地球,里面有无限个你,阅读着无限个相同版本的这篇文章。”(编译/严炎刘星)
[中科网]
美科学家听到宇宙大爆炸“余响”
仰望浩渺的星空,人们总是不由要问:宇宙从何而来?美国科学家17日宣布,他们发现了原初引力波穿越婴儿宇宙留下的印记,这是宇宙刚刚诞生时急剧膨胀的首个直接证据。
【名词解释】
宇宙大爆炸:宇宙学最有影响的学说,认为宇宙是由一个致密炽热的奇点于约138亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。
暴涨:在大爆炸之后不到1秒钟的原初时刻,宇宙在极短时间内经历了速度快到无法想象的急剧膨胀,这一过程称为“暴涨”。
原初引力波:爱因斯坦于1916年发表的广义相对论中提出的,它是宇宙诞生之初产生的一种时空波动,随着宇宙的演化而被削弱。
难度 -270摄氏度极难探测
何谓引力波?
上海复旦大学物理系博士生导师吴咏时表示,138亿年前,宇宙产生大爆炸之后,宇宙以指数速度急剧膨胀。理论上这一时间为一亿亿亿亿分之一秒。这一过程被称为宇宙暴涨。原初引力波如同创世纪大爆炸的“余响”,忠实记录了暴涨时期的物理过程。
1916年,爱因斯坦在广义相对论中提出引力波的存在,但他同时也指出这种现象将极其微弱。中科院高能物理研究所前所长陈和生表示,探测原初引力波需要非常灵敏的探测仪器。
浙江大学理论物理学博士李剑龙说,反映暴涨的微波背景辐射温度约为3K(零下270摄氏度)。在这种环境测量引力波,是非常困难的。引力波因此被戏称为“世纪悬案”、“宇宙中最大的徒劳无益之事”。
发现 就像在草堆里找到根铁棒
美国哈佛-史密森天体物理学中心等机构研究人员利用位于南极的BICEP2望远镜,对宇宙大爆炸的“余烬”——微波背景辐射进行观测。
微波背景辐射中的微波因为被原子和电子散射而具有偏振性,新研究寻找的是一种叫做B模式的特殊偏振模式,其特点是会形成旋涡,是宇宙极早期的一种时空波动——原初引力波留下的独特印记。
BICEP2望远镜建在南极冰盖之上,海拔超过2800米,是地球上观测微波背景辐射的最佳地点之一。
研究人员在这里发现了比“预想中强烈得多”的B模式偏振信号,随后经过3年多分析,排除了其他可能的来源,确认它就是暴涨期间原初引力波穿越宇宙导致的。
研究共同作者、明尼苏达大学的克莱姆·普赖克说:“这就好像要在草堆里找一根针,结果我们找到了一根铁撬棍。”据新华社电
意义 过去25年天文学最大发现
分析人士称,引力波的发现可以让科学家第一次“看到”宇宙是怎样形成的,从而揭开宇宙诞生之谜。
中科院理论物理研究所研究员蔡荣根表示,此次发现虽然不是直接观测到宇宙早期的引力波,但却是在宇宙微波背景辐射中找到了引力波存在的迹象,是到目前为止最强有力证明原初引力波存在的证据。
蔡荣根说,这次发现也再次证明了爱因斯坦的广义相对论,表明宇宙早期的暴涨模型的理论是完全正确的。
美国亚利桑那州立大学理论物理学家克劳斯在接受新华社记者采访时说,如被证实,将“可以跻身过去25年最重要的宇宙学发现之列”,有望获得诺贝尔奖。
本组稿件采写(除署名外)
新京报记者 金煜 李丹丹
[新京报]
详解引力波:奠定宇宙暴涨理论坚实基础
新浪科技讯 北京时间3月18日消息,天文学家们宣布探测到了原初引力波,这是138亿年前创造宇宙的大爆炸中产生的痕迹。这项发现被认为是一项科学界的重要里程碑,但其中牵涉到许多不为公众所熟悉的概念。《自然》杂志对此给出了通俗易懂的解读,以下便是一份采用问答方式呈现的有关引力波的基本背景知识。
问:请问此番BICEP2望远镜(BICEP即“宇宙泛星系偏震背景成像”的英文缩写)的发现,其重要性在哪里?
答:科学界们还将花费数年时间才能阐明此项发现的重要意义。但一些主要的方面已经清晰:
100年前,爱因斯坦在其理论中预言了引力波的存在,但他同时也指出这种现象将极其微弱,因此他认为人类将永远也无法实际探测到它。而BICEP2的发现是最有力的证据,一种直接证据,证明引力波的确存在。
引力波的发现奠定了标准宇宙学一项关键理论的坚实基础,这就是暴涨理论。该理论指出宇宙在诞生之初曾经经历了短暂的剧烈膨胀。
在暴涨阶段,宇宙的温度——也即其中粒子所含的能量,超过目前世界上任何实验室所能达到最高值的数万亿倍,甚至也超过了大型粒子加速器,如设在瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机(LHC)中的粒子能量。
由于暴涨是一种量子现象,而引力波是经典物理学的一部分,因此这一现象构建起了联系这两大领域的一座桥梁,也将成为首个证明引力也和其他自然力一样具有量子本质的证据。
问:引力波究竟是什么?
答:引力——根据爱因斯坦的广义相对论,是质量对空间的扭曲——在大质量物体附近,空间将出现扭曲。但这种扭曲并不会一直停留在大质量物体近旁。尤其,爱因斯坦意识到这种扭曲将可以在宇宙中传递,就像是地震波在地壳中传播一样。但和地震波不同,引力波可以在空旷的宇宙中传播,并且其传播的速度是光速。
如果你能迎面观察一道引力波,你会发现它轮流导致空间的拉伸和压缩,从上下或左右的方向上出现扭曲。
问:暴涨是否是产生引力波的唯一途径?
答:不是。任何具有质量的物体,或是剧烈的加速过程都会产生引力波。但现实是,只有那些灾难性事件,如两个黑洞相撞或合并这样的剧烈事件所产生的引力波才可能被我们探测到。全世界目前有数个天文台正致力于搜寻这种遥远宇宙深处黑洞合并的信号。
问:为何我们不能直接探测引力波,而只能通过射电望远镜来进行检测?
答:暴涨产生的引力波仍然在宇宙中回荡。但它们太过微弱,以至难以直接探测。因此,科学家们另辟蹊径,由于宇宙自其诞生后大约38万年以来便充满辐射,因此他们试图从这些原始的粒子海洋中搜寻引力波留下的痕迹。这种粒子背景被称作“宇宙微波背景辐射”(CMB)。对CMB的探测需要通过射电望远镜进行,因此也就只能借助射电望远镜来从这个背景中搜寻引力波产生的微弱“涟漪”了。
问:为何这项研究是在南极进行的?
答:BICEP2设备建在南极的阿蒙森-斯科特考察站。这里是南极冰盖之上,海拔超过2800米。因此这里的大气很稀薄。同样,这里的空气也很干燥,这些都是很有利的条件,因为水汽会阻挡微波的传播。另外南极洲几乎无人居住,因此来自手机通讯,电视机以及其他电子设备的干扰相对要小得多。(晨风)
[新浪网]
专访发现引力波第一作者:宇宙暴涨直接证据
新浪科技讯 北京时间3月18日凌晨,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。
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。
问:在你的书架上你放了一张加州理工学院已故的天体物理学家安德鲁·朗吉(Andrew Lange)的照片。他在2010年由于抑郁症自杀身亡。在他生前曾经指导过很多后来从事CMB实验工作的学生。他在你的事业过程中起到了什么样的作用?
答:在我来哈佛大学之前,我曾经在加州理工安德鲁的实验室做博士后研究工作,之后又升为高级研究员。安德鲁是我的良师益友。他将重大的责任赋予我,鼓励我参与BICEP1 望远镜的安装与操作,并引领我担任下一代项目,即BICEP2的首席科学家以及第一作者的角色。
安德鲁喜欢把搜寻B模偏振描述为“宇宙中最大的徒劳无益之事”。我想他一定会很高兴看到我们今天的这项研究成果,并证明那并非徒劳!
我也是芝加哥大学天文学家约翰·卡尔斯特姆(John Carlstrom)的研究生。尽管现在约翰是我的竞争者,但他同时也是我最亲密的朋友之一。我有两位伟大的导师。
问:你的儿子多大了?他对于你的研究工作怎么看?
答:我儿子9岁了。他对此感到很兴奋。我对他能理解那么多,甚至向我妻子解释这些内容感到惊讶。等他再大一些,如果他愿意的话,他也可以跟我一起到南极去。(晨风)
[新浪网]
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关于引力波六问六答:隐藏宇宙形成关键信息
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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 Lemaître)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”。(晨风)
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对研究人员来说,对结果把紧口风是标准的做法。没有人希望将只完成一半的数据武断地告诉同事,令对方获得错误的印象,甚至更糟糕的是,研究对手可能会因此占得先机。科学家也是人,而传播闲话是人的天性。然而,在充斥着科学博客以及社交网络的科学界,BICEP2(宇宙超星系偏振背景图像2)合作项目却能一直保持秘密的状态。
BICEP2的研究人员并没有使用某种牢不可破的联系方式,也没有使用某种无法破解的密码,他们必须依赖彼此保持沉默,直到某一天可以若无其事地向全世界发布一个重大发现。他们是怎么做到的?
对原初B模偏振的研究开始于2001年的一场网球赛之后。物理学家杰米·博克(Jamie Bock)当时是美国航空航天局喷气动力实验室(JPL)的研究人员(如今就职于加州理工学院),他与一位名为布莱恩·基廷(Brian Keating)的天体物理学博士后定期进行网球比赛,后者如今在加州大学圣地亚哥分校工作。
“布莱恩会用一个偏振实验来激我,”杰米·博克说,“而每次比赛完了之后我都会说‘啊哈,好的,一定’,过了一阵,他开始说服我这个实验很值得一做。”
在喷气动力实验室,杰米·博克从事的是专业化探测器(当时还在研制阶段)的研究工作。这种探测器如果装在南极的一个小型望远镜上,就很可能探测到原初B模偏振。他联系到已故的加州理工学院物理学家安德鲁·朗格(Andrew Lange),提议进行这项研究。作为物理学界的知名学者,安德鲁·朗格帮助杰米·博克组建了一个由科学家、博士后和研究生组成的团队。杰米·博克后来成为BICEP项目中四个主要研究者之一,他说:“在他(安德鲁·朗格)的帮助下,整个项目才得以启动。”
根据大约30年前提出的宇宙暴胀理论,宇宙早期曾经历过一次大规模的快速膨胀。如果这确实发生过,那就会在宇宙中遗留下在大爆炸之后38万年时的特征性光扭曲,即宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background , CMB)——又被称为“宇宙中最古老的光”。然而,在至少二十年的时间里,探测原初B模偏振一直被学界认为是“高风险,高回报”的实验。
为了探测宇宙暴胀留下的痕迹,需要一台可以辨别温度微小变化的望远镜,甚至精密到1摄氏度的百万分之一。宇宙暴胀也可能会产生一些几乎无法察觉的信号,但如果这些信号被探测到,那这些原初B模偏振就将为物理学打开一个新的世界。
除了为宇宙暴胀理论提供证据,这些信号还使科学家能够探测早期宇宙不为人所知的能量水平。此外,这些信号也证明了爱因斯坦提出的引力波理论是正确的,为这位伟大科学家的功劳簿又记上一笔。
天文学家,同时也是芝加哥大学研究生的克里斯托弗·希伊(Christopher Sheehy)说:“有这样的说法,‘拿到B模,你就拿到了诺贝尔奖’。”他于2006年加入了研究团队,在宇宙学家克莱门特·派克(Clement Pryke)的手下从事研究。
第一个BICEP项目于2006年至2008年在南极进行,不过项目中并没有包括杰米·博克在喷气动力实验室研制的探测器。后继实验——BICEP2——中采用了新的探测器技术,于2010年开始搜集数据,直到2012年。
“我们在这些早期阶段看到了线索,”哈佛大学的宇宙学家,同时也是BICEP主要参与者之一的约翰·科瓦奇(John Kovac)说,“但我要说,从噪声中找到信号是十分缓慢的过程。”
一开始,研究团队的每个成员都对所观测到的东西抱着很深的怀疑态度。他们不希望由于过分兴奋而使结果被无意地扭曲。更重要的是,他们此时仍然不能确定原初B模偏振是否能被观测到。
斯坦福大学的物理学研究生杰米·托兰(Jamie Tolan)说:“我们试图保持某种逻辑性和不偏不倚的态度,来看待数据所告诉我们的东西。”杰米·托兰于2007年加入了研究团队,属于最后一位主要研究者,物理学家郭昭麟(Chao-Lin Kuo)的实验室。
如果情况变得越来越糟糕,信号最终被证实为什么也不是,那对于BICEP团队来说,这至少为其他合作研究者在未来某一天获得观测结果时,提供了更为严谨的限定。不过随着获得的数据越来越多,“我们意识到确实存在着什么东西,”杰米·博克说道。
研究团队努力证明这并不是他们曾经探测到的其他错误信号。举例而言,望远镜和其他设备也有可能成为噪声的来源,会产生类似原初B模偏振的信号。“我们不断检查和交叉检查,做高保真模拟,”克里斯托弗·希伊说,“我们需要真正了解这些仪器产生的每个结果,对细节的了解达到了非常罕见的程度。”
事实上,研究人员使用了两个不同的探测器——一个是BICEP1中较早的技术,另一个应用于BICEP2中——来确保仪器不致成为问题的来源。同一类型的仪器可能会产生某种特定的误差,但对于两种完全不同的技术,就不大可能确定会出现什么问题。此时研究团队还在运行着BICEP2的后继实验:凯克阵列(Keck Array)。这个新型望远镜的能力是BICEP2的5倍,其提供的数据能帮助科学家检查之前的结果。
差不多在一年之前的2013年4月,研究团队在哈佛大学进行了一次为期3天的组会。他们分享了最新的分析结果和想法,试图用各种可能的解释来说明发现的信号。他们争论了两天。巧合的是,会议的最后一天恰好是波士顿马拉松赛的日子,一场爆炸夺去了三个人的生命,导致数百人受伤。
约翰·科瓦奇说:“在那之后,整座城市进入了高度戒备状态。”研究团队不能聚到一起,便在电话上讨论了起来。他们互相询问是否认为信号是真实的,在他们中间有乐观主义者也有悲观主义者。“有个人说真假是80对20,另一个人说是50对50,”杰米·博克说,“而那些不认为信号真实的人,我们会问他们为什么这么认为。然后决定还要做什么测试才能说服他们。”
对杰米·博克来说,这次会议是一个名副其实的分水岭。“那个时候我们就像是,‘哇喔,可恶,可能它就是真的。’”
研究团队意识到,无论事情多么震撼人心,他们都不希望流传出去的是错误的结果。他们都陷入了沉默状态。在进行测试的同时,他们也加强了内部安全,更换了密码,为团队成员提供新的电子邮件列表。到了12月,研究团队的每一个成员都被说服,接下来他们要说服的是全世界。
说到保密,BICEP团队相对于其他物理学研究团队有一个巨大的优势:它的规模很小。整个团队只有大约50个人,而核心的分析组成员只有20人左右。相比之下,普朗克太空望远镜团队拥有数百名研究人员,在大型强子对撞机(LHC)中寻找希格斯玻色子则涉及到数千名物理学家。
克里斯托弗·希伊回忆道,当时并没有特殊的纪律处分来加强保密,“所有人都有着同样的想法,‘不要走漏消息’。”由于科学研究的结果常常事先泄露,有些博客作者猜测,在研究团队宣布消息之前,可能有类似007级别的特工把结果压了下来。研究人员认为这种说法实属无稽之谈。“我们只是希望把完整的工作结果呈现给同行,”约翰·科瓦奇说,“这里面没有什么间谍故事。”
不过,在消息公布之前大概两周,研究团队不得不让另一些人参与到这一秘密中来。约翰·科瓦奇个人向理论物理学家阿兰·古斯(Alan Guth)寄送了一份论文草稿,后者在30年前提出并命名了宇宙暴胀假说。“我认为正是那时候开始出现了一些传言,”杰米·托兰说,“一旦我们要向更大圈子的人进行说明,这种事情便是不可避免的。”
兴奋的情绪也开始出现。3月12日,哈佛大学天体物理学中心向记者们发送了一份神秘通知,宣称在5天之后将举行新闻发布会,“宣布一个重大发现”,除此之外没有透露更多信息。到了周五,一些博客以及卫报的一篇文章第一时间报道了有关发现引力波的传言。周末的时候,对猜测的狂热达到了顶点,物理学界都在等待着哈佛天体物理学中心的声明。
尽管知道自己的发现非常重要,但研究团队的许多成员在还是面对媒体的关注时有点措手不及。“这个新闻成了大事件,在周四、周五,我接到了来自宇宙学朋友们的10条短信,这种感受是直达肺腑的,”克里斯托弗·希伊说,“这有点像滚雪球,我们也意识到它确实就像所有人所说的,是个不折不扣的大事件。”
现在,研究结果已经公之于众,也被更多地谈论和分析。从3月17日开始,宇宙学家们就在推特上争论这些发现。许多科学家在赞赏的同时,也呼吁要谨慎对待,在其他团队证实BICEP2所发现的B模偏振信号之前不能过于兴奋。
对于研究团队的所有成员来说,这依然是一个伟大的成就。“在周末前往南极的时候我忽然想到,我们亲手建造了这些望远镜,”杰米·托兰说,“你建造了它们,用来探索一些发生在大爆炸之后万亿分之一秒时间里的事情,这是多么的神奇。能够参与其中就已经让人无比兴奋。”(任天)
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