宇宙学的开始和终结

释放双眼,带上耳机,听听看~!

大爆炸宇宙学大获全胜,但也危机四伏。

在道格拉斯·亚当斯(Douglas Adams)的《宇宙尽头的餐馆》中,客人们会在早餐前经历6件不可能的事情。在过去的十几年里,宇宙学家们似乎已经任务完成过半了。

发现一:暗物质。星系自转的速度超出了发光物质引力所能掌控的程度,因此宇宙中80%以上的物质是以一种迄今尚未被我们看见和探测到的方式存在的。

发现二:暗能量。出乎所有人的意料,宇宙的膨胀正在加速,因此普通物质和暗物质向内的引力被另一种没有人确切知道是什么的奇特成分击败了。

发现三:暴胀。有了这一切,宇宙看起来仍然比我们预期的更平滑,所以它必定是在其诞生后的最早期被自发、但又随即停止的超光速膨胀抹平了。

非比寻常的论断需要非比寻常的证据。所以,当2014年3年在南极远转的BICEP2望远镜团队发现了这“三大怪”中一个的证据时,你几乎可以感觉到整个学术界长舒了一口气。他们在宇宙微波背景辐射中探测到的独特光偏振模式实际上是一石二鸟。这既是宇宙暴胀明白无误的证据,又为在暴胀同一时期存在引力波提供了间接证据,而引力波迄今仍是未被直接探测到的理论预言现象。

如果这一结果得到最终确认,会是极其令人兴奋的。宇宙学家们将可以甄别琳琅满目的暴胀理论,真正了解宇宙历史最初的时刻。

宇宙学的开始和终结
[图片说明]:Julien VallšŠe www.valleeduhamel.com。

不过,在举杯欢庆的人群中也有清醒的头脑。除了最为重要的对这一结果的其他独立证认之外,还有更为宽泛的考量。“虽然这是一次历史性的跨越,但它仍有其局限性,”英国爱丁堡皇家天文台的宇宙学家约翰·皮科克(John Peacock)说,“现在我们已可以以最大的可见程度来回溯时间,但依然无法企及宇宙最初的时刻。”目前,我们也许对紧接大爆炸的瞬间有了比以往更好的认识,但问题是对于大爆炸本身的了解却一直止步不前。

宇宙暴胀的想法可以追溯到20世纪80年代,它的问世是为了解释为什么宇宙的整体温度和密度要比理论预言的更加均匀得多。在大爆炸那一刻,时空自身被挤压在一起,就像一张被团起来的纸。就算让它膨胀到目前可观测宇宙的大小也不会抹去其所有的折痕。

然而,剧烈的暴胀则可以拉平这团纸。其基本思想是,在宇宙的最初瞬间,真空本身蕴藏了巨大的能量。量子涨落会使得真空振荡,进而开始逐渐地注入这一能量,蔓延至整个婴儿期的宇宙。这会驱动宇宙发生指数式的膨胀,在短短的10^{-36}秒的时间里,宇宙的尺度翻倍了80次,从仅仅10-28米的跨度急剧增大到了接近1厘米。其结果是形成一个没有结构且平坦的时空,在这之后恒星和星系才开始形成。

这个过程也产生了BICEP2团队所观测的宇宙微波背景辐射。这些最古老的光线充满了整个宇宙空间。一开始受困在早期宇宙超高密度的物质中,大约38万年后当宇宙冷却到足以形成第一个原子时,它们终于被释放了出来,可以在宇宙各个方向上自由传播。

138亿年以来,宇宙膨胀一直在拉伸宇宙微波背景,使之从其最初的超高能量冷却成了仅能加热分子的微波,温度只有2.7开——也常常被当作是空间的温度值。在大尺度上,这一温度和其他的特性几乎是均匀分布的。然而在局部,事情看上去就会颇为不同。紧盯天空中的某一片区域,BICEP2望远镜观测到了暴胀在宇宙微波背景中所留下的印迹,被称为B-模偏振。

这些印迹源于爱因斯坦的广义相对论,它描述物质和能量是如何使得空间和时间发生弯曲的。于是,驱动暴胀的量子涨落也会使得时空跟着一起涨落,产生时空涟漪,被称为原初引力波。

当且仅当发生暴涨时,本极其微弱的引力波才会被急剧放大。这些被放大的引力波会贯穿宇宙,扭转宇宙微波背景辐射中的光子,产生B-模偏振。宇宙极早期中的一个瞬间由此变成了遍布整个天空的特征,这就像把一幅图像放大到你所能看到的不过是一块一块的像素那样。

2014年3月17日,BICEP2团队在美国哈佛大学史密松天体物理中心宣布了这一发现。英国伦敦大学学院的宇宙学家希兰亚·佩里斯(Hiranya Peiris)说:“探测到原初引力波是最接近证明我们曾经经历过暴胀的一步。”

向后的巨大飞跃

其潜在的影响是巨大的。并没有参与这项工作的皮科克指出,宇宙微波背景被释放的时候其大小不足现在的1/1100,但暴胀在宇宙微波背景中留下的印迹却可以追溯到其大小还不到今天的10^{-55}时。“这是向前迈进了一大步,”他说,“假如被证实,我认为它必定是我有生之年最大的科学进展。”

前提是,假如被证实。这样一个潜在的突破迫切地需要佐证,因为凡事并非都能一加一等于二。BICEP2的结果暗示,原初引力波的大小——用r值来表征——远超任何人的预期。加拿大麦吉尔大学的邓肯·汉森(Duncan Hanson)参与南极望远镜项目,它就位于BICEP2旁,正在补充对宇宙微波背景的观测。“测量出的r值让人们有点吃惊,因为我们曾经认为这么大的r值已经被排除了,”他说,“某种形式的确认绝对是必需的。”

这一结果与欧洲空间局普朗克卫星于2013年3月公布的宇宙微波背景中温度变化数据相冲突。在BICEP2仅观测一小部分宇宙微波背景的同时,“普朗克”则花4年半的时间以前所未有的精度对整个天空中的宇宙微波背景进行了观测。

暴胀抹平了宇宙微波背景的温度,但产生原初引力波的量子涨落也会使得微波背景的温度发生微小的起伏。其他的效应也可以产生类似的结果,所以这一温度涨落本身并不足以证明暴胀。但如果假设这一变化就是由暴胀所产生的,由此可以计算出原初引力波r值的上限。根据“普朗克”的数据,结果为0.1;BICEP2给出的值则是它的2倍。

最简单的但同时也是最尴尬的解释是,BICEP2的数据分析存在问题。毫无疑问,在数据分析的过程中存在无数的陷阱。最重要的是,除了源于暴胀的原初引力波之外,还有其他东西也可以产生B-模偏振信号。在宇宙微波背景被释放出来之后,星系团的引力也可以扭转光子,被束缚在银河系磁场中的尘埃颗粒也能做到这一点。有人已经提出,也许来自从超新星的尘埃颗粒导致了这一结果。

如同BICEP2所做的,观测远离银河系银道面和任何大型星系团的一小片天空可以减少这些干扰。但参与“普朗克”的佩里斯对此仍有顾虑。“我对他们的结果感到很惊讶。这就像五十年一遇的发现,不是吗?”她说,“但是,作为一个科学家,我不得不对此表示怀疑。”

她担心,BICEP2的数据分析仅用了一条由多个软件构成的“流水线”。“普朗克”则至少使用有2条、有时甚至多达达5条独立的流水线来降低因未知的程序问题导致错误结果的几率。“为了验证BICEP2结果需要不同天区的不同数据以及一条不同的数据处理流水线,”佩里斯说。

通过开发第二条数据处理流水线,BICEP2自己就能做到这一点。其他的地面望远镜也可以提供独立的见解,其中包括汉森的南极望远镜和位于智利的“北极熊”(Polarbear)实验。它们的团队已经正在梳理各自的数据,或者计划新的观测来证实或者反驳BICEP2的结果。不出所料,它们目前还没准备好来发表评论。

最严重的打击依然是“普朗克”。它的全天观测结果把任何局部的特征都限制在了很小的范围内。更重要的是,它采集了9个微波波段的数据。这使得它可以更容易也更可靠地剔除掉前景偏振的干扰,因为居间尘埃颗粒对微波的散射是会随着波长而变化的。

当2013年“普朗克”团队发布其全天温度图时,他们承诺将在2014年公布偏振数据——如果最新的传言正确的话,时间会在11月。不过,“普朗克”的数据也并非尽善尽美。如果它所观测到的温度涨落源于暴胀,那它们在所有尺度上都应该是一样的。但事实上,较小的尺度上涨落更大。科学家们倾向于使用“张力”来消除这一异常。这可能不再是能站得住脚的。“如果你相信BICEP2的r值,那它实际会使得张力项变得更为糟糕,”汉森说,“也许我们不得不修改现有的宇宙学。”

他的意思是,需要更稀奇古怪的暴胀理论才可以在不同尺度上产生不同大小的引力波。理论家们已正在忙于提出各种理论来做到这一点。其他人则采取了没那么激进的路线,他们相信BICEP2可能已检测到了原初引力波,随着获得更多的数据会得到更小的r值。

确定正确的r值可能也有助于解决是什么驱动了暴胀这个大问题。但可能也未必,英国普兹茅斯大学的理论家戴维·万兹(David Wands)说:“暴胀避免了许多我们在讨论大爆炸时所遇到的困难。这意味着,我们可以描述宇宙的很多特性,而不必破坏大爆炸本身。”

更糟糕的是:暴胀可以有效地擦除之前的细节,它们要么在指数膨胀中被抹掉了,要么被运送到了我们看见的地方。暴胀几乎可以把任何可以想象到的开始都转变成我们所看到的宇宙。这意味着,我们甚至都不能肯定是否发生过大爆炸——从无限密度和高温的奇点开始的膨胀。皮科克说:“大爆炸奇点存在的时间可能是在这些引力波产生之前10^{-36}秒,或者也可能是在这之前一万亿年。”
受困于过去

也许隐藏在我们视线可见范围之后的并不仅仅是大爆炸本身。大多数宇宙学家和物理学家相信,描述宇宙的起源需要一个能把描述引力的广义相对论和描述其他三种自然力的量子力学统一起来的理论。只有在远超我们在粒子加速器中可及的能量和密度之上,量子引力的效应才会显现出来。但截止目前唯一有希望的是,来自早期宇宙的直接观测证据可以帮助我们确定这一理论。

这可能是BICEP2结果的第22条军规。据皮科克的说法,确认BICEP2的发现将会告诉我们,量子引力理论确实存在。他说:“如果把量子力学施用于引力和其他场,例如电磁场,所产生引力波的振幅只能这么大。”但量子引力时代现在被牢牢地困在毫无特征的暴胀之后,隔绝了一切直接的宇宙学检验。

如果是这样,那一开始的赞叹就有可能会变成沮丧的喊叫。皮科克:“现在我们已经有证据表明量子引力理论必定存在:只是我们不知道该如何去探测它。”

佩里斯则不这么确定,她认为仍有可能发现一些来自暴胀之前的东西。“我不会真正排除有机会获得更进一步信息的可能性,”她说,“现在仍是暴胀理论的初期阶段。也许它还会有一些更进一步的预言。”

希望如此,否则2014年3月17日也许将被视为宇宙学的开始和终结。如果对于宇宙是如何以及为什么起源的认识真的存在限制的话,宇宙学家们将不得不安慰自己,毕竟在暴胀壁垒的这一侧仍有大量的谜题存在。暗物质、暗能量以及其他等等……

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