宇宙大爆炸從假說確立為事實(shí) 愛因斯坦聲譽(yù)被捍衛(wèi)

圖為南極璀璨星空下的BICEP2射電望遠(yuǎn)鏡，就是它幫助科學(xué)家觀測到了證實(shí)宇宙大爆炸理論的關(guān)鍵證據(jù)。(資料照片)

 

我們從哪里來、時空如何開始、宇宙為什么如此存在--這三個關(guān)于世界本原的終極問題，從昨天開始不再只是一個哲學(xué)命題，而是擁有了堅實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。以哈佛大學(xué)為首的科學(xué)小組通過一次史無前例、充滿奇思妙想的實(shí)驗，揭開了長期困擾科學(xué)界的謎題。

 

從這個角度出發(fā)，科學(xué)界將它看成是史上最偉大物理學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。原中國引力與相對論天體物理學(xué)會理事長、上海師范大學(xué)天體物理研究中心主任李新洲說，這個發(fā)現(xiàn)是劃時代的，重要性毫不亞于量子力學(xué)和廣義相對論。

 

解碼宇宙本原

 

關(guān)于宇宙的誕生和演化，存在各種解釋。上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的爆炸理論，是目前科學(xué)界最主流的看法。但是，任何理論如果得不到實(shí)驗的驗證，始終只能是一個假說。

 

根據(jù)暴漲理論，宇宙誕生之初，是一個無比致密的點(diǎn)。但在一個極短的時間--也就是一億億億億分之一秒后，宇宙開始劇烈膨脹(如同一場大爆炸)，再經(jīng)過百億年，逐漸擴(kuò)張成目前浩瀚的時空。那場大爆炸，其釋放的能量之大，直到現(xiàn)在仍在空間中留有“余溫”，或者說“余暉”，這就是宇宙微波背景輻射。

 

不過，由于這種輻射始于大爆炸后的38萬年，要了解更早的宇宙，物理學(xué)家必須尋找一個新的切入點(diǎn)。很久以來，科學(xué)界對此遍尋不著，直到這次，哈佛史密松天體物理中心想到了一個絕妙的工具--引力波。根據(jù)廣義相對論，宇宙大爆炸會立即形成第一波巨大的引力震蕩。美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的，就是宇宙誕生后第一時間留下的印記。

 

英國《自然》雜志的一篇文章，賦予了引力波可見形象：想象在一個柔軟的沙灘上，潮水涌上沙灘時，卷起的波浪會帶著沙子一同起舞;潮水退下之后，沙子上會留下波浪的痕跡。

 

史密松中心的實(shí)驗，就是把宇宙微波背景輻射當(dāng)做了這片沙灘。他們通過3年多的實(shí)驗和分析發(fā)現(xiàn)，目前的宇宙微波背景輻射，表現(xiàn)出名為“B模式”的偏振形態(tài)，就如同一把鐵粉投入磁場后，呈現(xiàn)出渦旋狀或卷曲狀的樣子。根據(jù)宇宙學(xué)理論，除了引力波，其他擾動都無法形成這種漩渦。因此，科學(xué)家們觀測到的“B模式”，就是大爆炸后原初引力波的獨(dú)特印記。

 

這個證據(jù)，將宇宙大爆炸從假說確立為事實(shí)。由此，它關(guān)于星系形成的所有預(yù)言，都順理成章地獲得了堅實(shí)的基礎(chǔ)--大爆炸后的宇宙，就像一團(tuán)迷霧;隨著微弱的波動漣漪被宇宙膨脹不斷放大，迷霧狀的宇宙開始凝聚，而且越聚來越多，最終形成了星系和萬物。

 

捍衛(wèi)愛因斯坦聲譽(yù)

 

證明宇宙大爆炸理論，絕非這次發(fā)現(xiàn)的唯一意義。實(shí)際上，這也是人類首次得到引力波存在的證據(jù)，它極大地掃除了縈繞在廣義相對論頭頂?shù)年幵啤?/p>

 

在廣義相對論看來，引力的本質(zhì)，是有質(zhì)量的物體會造成時空彎曲，而且，這種彎曲的特質(zhì)會像漣漪一樣向外傳播--也就是引力波。過去幾十年來，世界各國的科學(xué)家一直嘗試制造一種儀器，去探測引力波的漣漪。不過，引力是物理學(xué)所有作用力中最微弱的一個，直到這次實(shí)驗之前，任何人造儀器都未曾捕獲過它。甚至有人認(rèn)為，也許引力波永遠(yuǎn)無法被試驗證實(shí)。

 

盡管在科學(xué)預(yù)言上，愛因斯坦擁有極佳的聲譽(yù)--廣義相對論的其他一些重要預(yù)言，例如光線彎曲、引力紅移等，都陸續(xù)得到了實(shí)驗的證實(shí)，但引力波實(shí)驗的缺位，使得某些物理學(xué)家懷疑，愛因斯坦是不是也有可能出錯?

 

李新洲告訴記者，引力波觀測一直是實(shí)驗物理學(xué)的熱門。哈佛牽頭的實(shí)驗，不僅構(gòu)思獨(dú)特，設(shè)計也異常巧妙。研究團(tuán)隊獨(dú)辟蹊徑地將南極作為觀測點(diǎn)，那里沒有手機(jī)、電視等無線電干擾，是地球上最干燥的地方，而水蒸氣會影響射電望遠(yuǎn)鏡對微波背景輻射的觀測精度。

 

衍生出更多未知

 

哈佛實(shí)驗讓全世界的物理學(xué)界為之震驚和興奮。雖然相關(guān)論文尚未經(jīng)過嚴(yán)格的同行評議，但這絲毫無損這一發(fā)現(xiàn)的價值。李新洲說，毫無疑問，這個發(fā)現(xiàn)是高度嚴(yán)謹(jǐn)和確實(shí)的。實(shí)際上，英國《自然》雜志網(wǎng)站甚至打破常規(guī)，在第一時間專門為其制作了特輯。

 

要充分揭示這個實(shí)驗的價值，也許還需要更多時間。而一些科學(xué)家已經(jīng)開始思考物理學(xué)下一步會如何發(fā)展。

 

李新洲說，這個實(shí)驗同時也啟發(fā)人們，在微觀與宏觀之間，的確存在著橋梁和聯(lián)系。因為最初的宇宙內(nèi)部呈現(xiàn)量子狀態(tài)，其運(yùn)動符合左右微觀世界的量子力學(xué);然而，引力卻是宏觀世界的規(guī)律。愛因斯坦一直試圖將量子力學(xué)與廣義相對論統(tǒng)一起來，但直到今天，這個任務(wù)仍沒有完成。這次觀測到大爆炸的引力波，是否有助于一個統(tǒng)一的物理理論的形成呢?

 

此外，廣義相對論雖然能從這個發(fā)現(xiàn)中受益，但仍不能完美解釋宇宙目前的加速膨脹狀態(tài)。過去，一些科學(xué)家嘗試修正廣義相對論，提出了一些理論模型。而現(xiàn)在，面對一個更強(qiáng)健的廣義相對論，科學(xué)界必須思考該怎么辦?

 

科學(xué)的發(fā)展，永遠(yuǎn)是從未知到已知，然后再由已知衍生出更多的未知。無論如何，至少今天，科學(xué)家們可以驕傲地高喊：“我們獲知了宇宙最初的那一刻!”

 

本報記者 張懿 史博臻