科学界目前普遍认为,诞生于距今约140亿年前的一次“大爆炸”。在大爆炸后不到1秒钟的原初时刻,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”。
为验证暴涨理论,美国哈佛-史密森物理学中心等机构研究人员利用位于南极的BICEP2望远镜,对大爆炸的“”——微波背景辐射进行观测。微波背景辐射是一种均匀散落在空间中的微弱电磁波,它如同埋藏在深处的“化石”,记录着早期的许多信息。
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做B模式的特殊偏振模式,其特点是会形成旋涡,是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导致的。这意味着暴涨理论获得迄今最有力的,并将帮助人们更详细地了解暴涨的过程。
对这项发现的意义,哈佛-史密森物理学中心的理论物理学家洛布说:“这项工作为一些最基本的问题提供了新见解:我们为什么会存在?是怎么诞生的?这些结果不仅是暴涨的确凿,它们也告诉我们暴涨是什么时候发生的,暴涨的威力又有多大。”
爱因斯坦1916年发表的广义预言了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,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、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的又一有力,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。
在天文学几百年来的发展过程中,人们观测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,处于晦暗的状态,光无法穿透。而引力波则不同,它诞生在大爆炸之初并以光速。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的手段。引力波天文学这门新学科的大门也由此打开。
根据上世纪80年代逐渐发展起来的暴涨理论,140亿年前,在大爆炸之后不到10的负35方秒的时间里,以指数速度急剧膨胀,即所谓“暴涨过程”。原初引力波记录了暴涨时期的物理过程。马寅哲说,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”。
微波背景辐射是大爆炸的“”,是一种弥漫在整个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。
马寅哲表示:“此项工作若获,当之无愧是诺贝尔级的工作。而且在此之后,关于引力波的诺贝尔可能还会再出现。‘暴涨’理论的提出者也可能获。”克劳斯说,新研究还需要进一步验证,但如果获得,它“可以跻身过去25年最重要的学发现之列”并可能获得诺贝尔。 综合电
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