宇宙诞生之谜有望破解 是一项诺贝尔奖级别的发现

阿尔伯特·爱因斯坦

弗雷德·霍伊尔

仰望浩渺的星空，人们总是要问：宇宙从何而来？3月17日，美国天文学家宣布，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，这一具有里程碑意义的重大发现，有望帮助弄清宇宙诞生之谜，破解“世纪悬案”。

据悉，原初引力波是爱因斯坦于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。科学界目前普遍认为，宇宙诞生于距今约140亿年前的一次“大爆炸”。在大爆炸之后不到1秒钟的原初时刻，宇宙曾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”。科学家说，原初引力波将可以帮助人们追溯到宇宙创生之初的一段极其短暂的暴涨过程。然而，广义相对论提出近百年来，源于它的其他重要预言，如光线的弯曲、水星的近日点进动，以及引力红移效应等都被一一证实，而引力波却始终未被直接探测到，问题就在于其信号极其微弱，技术上很难测量，因此也有人将之戏称为“世纪悬案”与“宇宙中最大的徒劳无益之事”。

为验证暴涨理论，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。微波背景辐射是一种均匀散落在宇宙空间中的微弱电磁波，它如同埋藏在宇宙深处的“化石”，记录着早期宇宙的许多信息。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作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”。研究人员说，他们意外发现了比“预想的强烈得多”的B模式偏振信号，随后经过3年多的分析，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。”这一发现意味着宇宙暴涨理论获得迄今最有力的证据，并将帮助人们更详细地了解暴涨的过程。

一些物理学家认为，爱因斯坦于1916年提出的广义相对论预言了原初引力波的存在，但科学界此前一直没有找到这种波存在的证据，新发现也意味着广义相对论的胜利，这是一项诺贝尔奖级别的发现。美国亚利桑那州立大学理论物理学家劳伦斯·克劳斯说，虽然这项成果还需要得到进一步验证，但“无论怎样，都令人激动”。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。（本报华盛顿3月18日电 本报驻华盛顿记者 王传军）

延伸阅读

何为宇宙大爆炸？

● 大爆炸是描述宇宙诞生初始条件及其后续演化的宇宙学模型，这一模型得到了当今科学研究和观测最广泛且最精确的支持。宇宙学家通常所指的大爆炸观点为：宇宙是在过去有限的时间之前，由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的（根据2013年普朗克卫星所得到的最佳观测结果，宇宙大爆炸距今137.98±0.37亿年），并经过不断膨胀到达今天的状态。

● 大爆炸这一模型的框架基于爱因斯坦的广义相对论，又在场方程的求解上作出了一定的简化。1922年，苏联物理学家亚历山大·弗里德曼用广义相对论描述了流体，从而给出了这一模型的场方程。1929年，美国物理学家埃德温·哈勃通过观测发现并推导出了膨胀宇宙的观点。1927年，勒梅特通过求解弗里德曼方程在理论上提出了同样的观点，这个解后来被称作弗里德曼－勒梅特－罗伯逊－沃尔克度规。

● 大爆炸一词首先是由英国天文学家弗雷德·霍伊尔所采用的。他在1949年3月BBC的一次广播节目中将勒梅特等人的理论称作“这个大爆炸的观点”。1964年发现的宇宙微波背景辐射是支持大爆炸确实发生的重要证据，特别是当测得其频谱从而绘制出它的黑体辐射曲线之后，大多数科学家都开始相信大爆炸理论了。（陈茵、徐畅整理 本文图片均为资料图片）

原初引力波发现的四大意义

1、填补了广义相对论实验验证的最后一块缺失的拼图

爱因斯坦1916年发表的广义相对论预言了宇宙诞生之初产生的一种时空波动——原初引力波的存在。过去近百年中，广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星的近日点进动以及引力红移效应都已获证实，唯有原初引力波因信号极其微弱，技术上很难测量，而一直徘徊在天文学家“视线”之外。剑桥大学博士、加拿大不列颠哥伦比亚大学的“CITA国家研究员”马寅哲认为，原初引力波的发现是支持广义相对论的又一有力证据，相对论所预言的所有实验现象全部被验证，实验与理论符合得都很好。

2、打开了观测宇宙的一扇新窗户

在天文学几百年来的发展过程中，人们观测宇宙的主要手段是观测光，也就是说几乎所有天文实验都是在收集光子。而根据标准宇宙大爆炸理论，大爆炸之后约40万年，光子、电子及其他粒子混在一起，宇宙处于晦暗的迷雾状态，光无法穿透。而引力波则不同，它诞生在宇宙大爆炸之初并以光速传播。从事引力波研究多年的美国亚利桑那州立大学理论物理学家劳伦斯·克劳斯认为，引力波被测量到，意味着人们可以通过引力波而一直追溯到大爆炸之后仅仅10的负35方秒的极早时期，同时引力波也可以作为另一种观测宇宙的手段。引力波天文学这门新学科的大门也由此打开。

3、有助于真正理解宇宙大爆炸原初时刻的物理过程

根据20世纪80年代逐渐发展起来的暴涨理论，约140亿年前，在大爆炸之后10的负35方秒的时间里，宇宙以指数速度急剧膨胀，即所谓“暴涨过程”。原初引力波忠实记录了暴涨时期的物理过程。马寅哲告诉记者，现在关于大爆炸原初时刻的理论模型有数百个，但“到底哪个对，还是都不对，在今天之前是不清楚的。但如果（美国科学家的）结果是真的，那么很多理论模型会被排除”。

4、意味着对宇宙微波背景辐射的测量将会进入下一个重要里程碑

宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸的“余烬”，是一种弥漫在整个宇宙空间中的微弱电磁波信号。过去几十年中，人们测量微波背景辐射，其实主要测量的是温度场的信息，却一直没有测量到引力波的独特印记——B模式偏振。目前，全球多个小组在探测引力波，新发现无疑将极大鼓舞他们的士气，并促进有关国家进一步加大科研经费和人力资源投入。(据新华社华盛顿3月17日电 记者林小春）