宇宙大爆炸從假説確立為事實 愛因斯坦聲譽被捍衛

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

 

我們從哪來、時空如何開始、宇宙為什麼如此存在--這三個關於世界本原的終極問題，從昨天開始不再只是一個哲學命題，而是擁有了堅實的科學基礎。以哈佛大學為首的科學小組通過一次史無前例、充滿奇思妙想的實驗，揭開了長期困擾科學界的謎題。

 

從這個角度出發，科學界將它看成是史上最偉大物理學發現之一。原中國引力與相對論天體物理學會理事長、上海師範大學天體物理研究中心主任李新洲説，這個發現是劃時代的，重要性毫不亞於量子力學和廣義相對論。

 

解碼宇宙本原

 

關於宇宙的誕生和演化，存在各種解釋。上世紀80年代發展起來的爆炸理論，是目前科學界最主流的看法。但是，任何理論如果得不到實驗的驗證，始終只能是一個假説。

 

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

 

不過，由於這種輻射始於大爆炸後的38萬年，要了解更早的宇宙，物理學家必須尋找一個新的切入點。很久以來，科學界對此遍尋不著，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。美國科學家發現的，就是宇宙誕生後第一時間留下的印記。

 

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

 

史密松中心的實驗，就是把宇宙微波背景輻射當做了這片沙灘。他們通過3年多的實驗和分析發現，目前的宇宙微波背景輻射，表現出名為“B模式”的偏振形態，就如同一把鐵粉投入磁場後，呈現出渦旋狀或捲曲狀的樣子。根據宇宙學理論，除了引力波，其他擾動都無法形成這種漩渦。因此，科學家們觀測到的“B模式”，就是大爆炸後原初引力波的獨特印記。

 

這個證據，將宇宙大爆炸從假説確立為事實。由此，它關於星系形成的所有預言，都順理成章地獲得了堅實的基礎--大爆炸後的宇宙，就像一團迷霧;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。

 

捍衛愛因斯坦聲譽

 

證明宇宙大爆炸理論，絕非這次發現的唯一意義。實際上，這也是人類首次得到引力波存在的證據，它極大地掃除了縈繞在廣義相對論頭頂的陰雲。

 

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

 

儘管在科學預言上，愛因斯坦擁有極佳的聲譽--廣義相對論的其他一些重要預言，例如光線彎曲、引力紅移等，都陸續得到了實驗的證實，但引力波實驗的缺位，使得某些物理學家懷疑，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驗物理學的熱門。哈佛牽頭的實驗，不僅構思獨特，設計也異常巧妙。研究團隊獨闢蹊徑地將南極作為觀測點，那裏沒有手機、電視等無線電干擾，是地球上最乾燥的地方，而水蒸氣會影響射電望遠鏡對微波背景輻射的觀測精度。

 

衍生出更多未知

 

哈佛實驗讓全世界的物理學界為之震驚和興奮。雖然相關論文尚未經過嚴格的同行評議，但這絲毫無損這一發現的價值。李新洲説，毫無疑問，這個發現是高度嚴謹和確實的。實際上，英國《自然》雜誌網站甚至打破常規，在第一時間專門為其製作了特輯。

 

要充分揭示這個實驗的價值，也許還需要更多時間。而一些科學家已經開始思考物理學下一步會如何發展。

 

李新洲説，這個實驗同時也啟發人們，在微觀與宏觀之間，的確存在著橋梁和聯繫。因為最初的宇宙內部呈現量子狀態，其運動符合左右微觀世界的量子力學;然而，引力卻是宏觀世界的規律。愛因斯坦一直試圖將量子力學與廣義相對論統一起來，但直到今天，這個任務仍沒有完成。這次觀測到大爆炸的引力波，是否有助於一個統一的物理理論的形成呢?

 

此外，廣義相對論雖然能從這個發現中受益，但仍不能完美解釋宇宙目前的加速膨脹狀態。過去，一些科學家嘗試修正廣義相對論，提出了一些理論模型。而現在，面對一個更強健的廣義相對論，科學界必須思考該怎麼辦?

 

科學的發展，永遠是從未知到已知，然後再由已知衍生出更多的未知。無論如何，至少今天，科學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