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宇宙是什么时候诞生的

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发表于 2016-2-19 23:46:36 | 显示全部楼层 |阅读模式
起源在哪里呢?宇宙在何时诞生?起源在哪里呢?这一个神秘难解的问题,多少年来一直困扰着我们。经过天文学家们的多年辛勤探索和艰苦观测,现在终于对宇宙有了进一步的认识,目前我们已经能探索到离地球150亿光年之遥的宇宙深处,这可是个不小的天文数字,以每秒30万千米的速度航行也要走上150亿年!宇宙的奥秘是无穷无尽的,即使我们的科学技术不断地发展,还有好多宇宙间的疑问和谜团没有解开,还需人们不断地努力探讨。解释宇宙诞生,科学家提出了很多理论,迄今为止,解释宇宙诞生最权威的理论是大爆炸理论:宇宙是由大约200亿年前发生的一次大爆炸形成的。在爆炸发生之前,宇宙内的所存物质和能量都聚集到了一起,并浓缩成很小的体积,温度极高,密度极大。


宇宙的早期,它如同一个"原始火球",具有100亿度以上的高温和极大的密度。因为高温,"原始火球"很不稳定,大约在200亿年前,它终于爆炸开来,大爆炸使物质四散,宇宙空间不断膨胀,温度也相应下降,从那里诞生了时间和空间、质量和能量。气体逐渐凝聚成气云,进而演化成各种各样的恒星体系,直至人类今天看到的宇宙。在大爆炸发生前,宇宙中没有物质,没有能量,甚至没有时间,更谈不上生命。宇宙整体膨胀过程至今还未停止,宇宙在继续膨胀。根据天文学家们的观测,很多恒星目前仍在向外移动。在1929年美国天文学家哈勃发现银河系之外的河外星系普遍具有红移现象(星体向远方移去的现象)。

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 宇宙诞生之前,没有时间,没有空间,也没有物质和能量。大约150亿年前,在这四大皆空的“无”中,一个体积无限小的点爆炸了。时空从这一刻开始,物质和能量也由此产生,这就是宇宙创生的大爆炸。
  刚刚诞生的宇宙是炽热、致密的,随着宇宙的迅速膨胀,其温度迅速下降。最初的1秒钟过后,宇宙的温度降到约100亿度,这时的宇宙是由质子和电子形成的一锅基本粒子汤。随着这锅汤继续变冷,核反应开始发生,生成各种元素。这些物质的微粒相互吸引、融合,形成越来越大的团块,并逐渐演化成星系、恒星和行星上还出现了生命现象。然后,能够认识宇宙的人类终于诞生了。


我们看到了宇宙诞生的最初瞬间



作为这次发现原初引力波的BICEP系列望远镜研究团队的成员之一,应果壳网的邀请匆匆写下这篇随笔,希望能够帮助大家了解如何通过观测“宇宙微波背景辐射”来探测宇宙诞生之初产生的引力波信号,理解这个发现对于人类认知宇宙的深远意义。当然,顺便讲讲发现历程背后的一点点故事。天文学的研究不仅仅是满足天文学家自己的好奇心。匆忙奔波的生活,偶然间听到关于这个宇宙中发生的新奇的事情,远离尘嚣,想象一下地球之外横跨亘古的变迁,或许你会觉得是一件有趣的事情。10年来忙于各种科研工作,除了最近给《科学美国人》(Scientific American)撰写了一篇有关银河系费米气泡的英文介绍外,还从来没有认真地写过中文的科普文章。时间有限,不妥之处请大家批评指正。这段引言是成文后加上的——对,就像科学论文总是最后撰写论文摘要一样——你往往会发现,计划写的和最终写出来的,很多时候并不是一回事情。


2014年3月17日,哈佛-史密松天体物理研究中心的菲利普报告厅内坐无虚席,成千上万的天文学家和公众通过网络直播焦急地等待着,等待着见证观测宇宙学又一个划时代的发现。中午12点整,项目负责人之一、我曾经的博士导师约翰·科瓦克(John Kovac)开始介绍首次发现的原初引力波信号的观测结果,以及专门设计建造的核心探测装置:第二代BICEP南极望远镜。

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位于南极极点附近的第二代BICEP望远镜(右侧建筑楼顶的碗状物),捕捉到了宇宙诞生后最初瞬间留下的印迹。图片来源:Keith Vanderlinde/Handout/Reuters



不得不说,这是一个历史性的时刻。在不到一天的时间里,全球超过350万人尝试登陆哈佛网络直播平台,希望第一时间得知新闻发布会的细节,以至于哈佛完善的网络平台彻底崩溃——我想很少有一个科学发布会会引起几乎整个科学界甚至公众的震撼。作为宇宙中稀有的智慧生命的我们,窥探到了宇宙诞生后最初的一瞬间留给后人的信息——请相信我,作为智慧生命的种群,生活在这样的一个宇宙中,真的是一件非常幸福,更是幸运的事情。


低调造访就在新闻发布会的大约一周前,美国麻省理工学院教授阿兰·古斯(Alan Guth)收到一封电子邮件。内容大概是这样的:“尊敬的古斯教授,我们发现了一件有趣的事情,这个发现跟我的研究和你的研究都有关系。但是我还不能告诉你具体是什么内容。我希望能够尽快拜访你——这件事还是稍微有那么一点着急的,期盼你的回复。另外,出于保密的原因,请不要跟任何人提起我跟你联系见面这件事情,谢谢。”邮件的落款人,正是哈佛大学的约翰·科瓦克。
看到这封邮件,阿兰立刻猜到了可能会是什么事情。这是他盼望了30多年的一个信号,一个来自于宇宙诞生时候的关键信号。他在1980年提出过一个关于宇宙诞生时期的理论,而那个信号正是这一理论的关键预言!不过,在这个时候,快70岁的阿兰还没有想象的那么兴奋。


实际上,人们试图寻找这个信号已有多年时间,就算这个叫科瓦克的家伙声称看到了什么,估计也是那种好像“有点东西”,但又不那么确定的结果。就像两年前欧洲核子中心(CERN)发现希格斯粒子那样,最先他们看到的也只是一个3个sigma左右的信号。这是科学家用来判定结果在统计上是否靠谱的一种说法。用听得懂的中文来说,就是这个结果仍有千分之几的概率可能是错的。虽然听起来这已经是一个很小的数字,但其实科学史上出现过很多“号称”只有千分之几会错的东西,后来都证明是错的。人们往往会过于自信地估计他们寻找到的信号的真实性。所以,对于这种往往雷声大雨点小的信号,“久经考验”的阿兰已经习惯了。


见面被安排在第二天,麻省理工学院物理系古斯的办公室。出于保密的原因,穿着低调的科瓦克悄悄地进入物理系侧门,被人带到古斯办公室的后门。如果被人们看到行事低调、不常到麻省理工学院的科瓦克专程来找古斯,聪明的圈内人几乎都能猜到原因——他不希望泄露任何蛛丝马迹。科瓦克掏出他们准备发表的几近完成论文的样稿,古斯当时就惊呆了。
是的,这跟他当初想象的完全不一样,这不是一个3个sigma的信号,而是超过5个sigma——这意味着,统计上出错的概率只有大约千万分之一。按照传统的物理学发现的统计标准,“这就是一个发现,一个大发现!”阿兰激动万分,很长时间后才稍稍平静下来,开始询问科瓦克研究的细节。然后,他们开始商量如何把这个惊天的大发现公诸于世。
这就是后来科瓦克在新闻发布会上公布的结果:他们探测到了来自宇宙极早期暴胀过程产生的、宇宙微波背景辐射特殊的B模式极化信号。这个信号名字有点长,我们不妨简单称之为“B模式”。这是宇宙早期引力波存在的直接证据,是暴胀理论的关键性预言,其意义与发现宇宙加速膨胀一样具有里程碑式的意义!


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3月17日,美国哈佛-史密松天体物理中心召开新闻发布会,约翰·科瓦克(右1)宣布,他们探测到了来自宇宙极早期暴胀过程产生的、宇宙微波背景辐射特殊的B模式极化信号。图中科学家从右向左,依次为约翰·科瓦克、郭兆林(Chao-Lin Kuo)、杰米·博克(Jamie Bock)和克莱姆·派克(Clem Pryke)。图片来源:哈佛-史密松天体物理中心


那么,这个B模式信号到底是什么呢?让我们从宇宙微波背景辐射和宇宙暴胀理论谈起。
宇宙微波背景辐射让我们想象自己是两千年前的哲学家,开始思考并询问自己这样的问题:我们存在的世界是如何起源的?我们从何处来?又向何处去?关于后者的回答,我想大概会贯穿人类未来文明的发展,而对于前者的追溯,考古学式的研究模式让我们总有机会对宇宙过去发生的事情说点什么——尤其是宇宙诞生之初,那实实在在的一瞬。


今天我们对宇宙最基本的认识就是,宇宙起源于138亿年前的一次大爆炸。看过《生活大爆炸》片头的人都知道:我们整个宇宙诞生之初温度密度极高,随着不断地膨胀,宇宙慢慢地冷却。
在最初的大约38万年中,宇宙的平均温度在几万度以上,宇宙的主要组分——质子和电子,一直处于游离状态,没有形成氢原子。因为它们一旦结合成氢原子,马上就会被周围处在“热汤”中的高能光子打散。这样专门拆散别人结合的光子有很多,多到每一对质子电子周围就有几十亿个光子等着要拆散他们。所以很不幸,在漫长的数十万年中,质子和无数电子相见,却一直不能相聚。
然而,情况在宇宙年龄到了38万年的时候发生了本质性的改变。此时,宇宙的平均温度已经降到足够低,几十亿个光子中拥有足够能量去拆散一对质子电子的数目已经所剩无几。同时,随着宇宙密度的下降,光子能够撞到电子的概率也变得微乎其微。这些为数众多的光子突然变成了无关紧要的背景,此后几乎不再被宇宙中发生的任何事情所影响。


这些光子在宇宙中孤独穿行,携带着宇宙创生之初的关键信息——就像给大爆炸后38万年的宇宙拍了一张快照。随着宇宙的膨胀,它们的能量越来越低。直至今天,等效的辐射温度降到大约零下270℃,正好对应于我们熟知的微波波段。这些光子,被人们称为宇宙微波背景辐射。
可以说,上世纪60年代宇宙微波背景辐射的发现,是现代宇宙学开启的标志。它的发现证实了宇宙大爆炸理论,从此整个宇宙诞生以来的所有细节,变成了一门严肃的学科,被认真地研究和讨论。然而,也正是宇宙微波背景辐射,对大爆炸理论本身提出了一道难题。

我们知道,光速是宇宙中信息传递的极致,两个时空点之间如果连光都无法企及,那这两点发生的任何事情,都应该没有关联才对——因为双方都无法知道对方是什么状况。那么,在宇宙诞生38万年的时候,光一共能跑多远呢?直观一些讲,把这个距离投影在天空中,张角不过1°左右——只有两个满月并排起来那么宽。这样,问题就来了。从天空各个方向看到宇宙微波背景辐射,原则上可以千差万别,因为它们之间本该来不及传递任何信息才对。为什么我们实际观测的结果却是各个方向惊人地相同呢?这就是所谓的“视界困难”。

暴胀假说正是为了解决这一难题,前面提到的阿兰·古斯在1980年提出了这样一种可能性:在宇宙诞生最初的时刻,时空发生过一次急速膨胀的过程——这便是暴胀理论。更具体地说,现在人们普遍认为,宇宙大爆炸之后的一瞬间,时空在不到10-34秒的时间里迅速膨胀了1078倍(我就不用多少个亿来表达这两个数字有多极端了)。时空在这种暴胀发生之前是有信息交流的——即便后来被暴胀拉开很远。于是,看到一致的微波背景信号也就不足为奇了。



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1980年率先提出宇宙暴胀理论的阿兰·古斯。图片来源:Donna Coveney,麻省理工学院


有趣的是,暴胀理论还可以解释另一件一直让人们困惑的事情。多种不同的宇宙学测量告诉我们,今天我们身处的宇宙时空是平直的——换句话说,时空就像是拉平的一张床单。乍一看,这似乎没什么大不了。但稍微做一些不太复杂的计算,人们很快就认识到,要想保证今天宇宙时空大致平坦的话,宇宙诞生之初的时空就必须平坦到一个令人发指的地步才行。宇宙要么在诞生之初被“非常精细的微调”,不然非平坦性很容易在宇宙演化的过程中被不断放大。这被称之为“平直性困难”。


当然,我们可以要求宇宙非常严格地做到了精确平坦,这跟任何基础物理学都不矛盾。但是物理学家不喜欢这种“不自然”的事情,总觉得应该有一些未知的规律促成了这些“奇怪”的要求。你或许已经猜到了——暴胀理论的出现正好解决了这个问题!不论暴胀之前宇宙时空是不是平坦的——哪怕它长得奇形怪状,在时空被瞬时拉大一亿亿亿亿亿亿亿亿亿倍的时候,原来的样子你是肯定看不出来了。暴胀理论预言:宇宙的时空不仅应该是平直的,而且应该是精确平直的!今天的天文学观测告诉我们,宇宙时空的形状与完全平直之间的偏差,不超过千分之几。
暴胀过程的副产品也极其有趣:人们之前一直想不明白,各向同性均匀的大爆炸,怎么就产生了宇宙中如此丰富的结构?暴胀理论的回答是,急速的暴胀把量子尺度的微观扰动迅速拉大到宏观尺度,变成不可逆的密度涨落。这些涨落成为宇宙结构形成的关键“种子”。在引力的相互作用下,密度高的地方逐渐聚集了更多的物质,宇宙由此演化出星系、恒星、行星等结构,以及在一颗暗淡的行星上奔波的我们。


虽然暴胀的概念被提出了30多年,这个神奇得甚至有点离奇而不可想象的过程是否真的发生过,依然是一个谜团。人们找不到太多可以不采用这种假说去解释观测的办法,但也没有找到直接证据让人们确信,在宇宙诞生的极早期,真的存在过这么一段所谓的暴胀时期。我们对宇宙的理解,缺失了这段极其重要的信息。
原初引力波与B模式极化信号幸运的是,在众多的理论模型中,相当多数预言了在这个暴胀时期,时空的扰动会留下一些蛛丝马迹。根据爱因斯坦100年前天才创造的广义相对论,暴胀的时空扰动会产生特征性很强的引力波。因为这种引力波产生于宇宙诞生之初,人们给它起名叫——原初引力波。



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宙暴胀理论认为,在大爆炸后极短的一瞬间,宇宙经历了一场超快速膨胀。这一过程产生的原初引力波会在后来产生的宇宙微波背景辐射中留下可以探测的印迹。



这些暴胀理论有一个最基本的假设,那就是我们对量子理论和引力理论的了解有足够的自信。想象一下,爱因斯坦和量子论的先贤们几乎凭空把玩出来的漂亮理论,尽管经历了地球上近百年实验的检验,但要把它们一下子推到整个宇宙诞生的一瞬间,认为在那种极端环境下它们也仍然成立。不得不说,这是一个相当相当大胆的假设。果真如此的话,我不知道爱因斯坦假如还活着会是怎样的心情——他大概会写出更美丽的诗句,赞美宇宙的不可思议。

如果真能探测到如理论预言般的原初引力波,我们就对基础物理学中两个极其重要的理论,提供了关键性的支持。其一是爱因斯坦广义相对论所预言的引力波,而且来自于宇宙创世的瞬间!其二则是暴胀理论,这或许是宇宙演化历史中最不可思议的一瞬。同时人类将拥有一个新的强大的手段,去研究地球上的粒子加速器实验(比如著名的欧洲核子中心耗资百亿欧元的大型强子对撞机)无法企及的能量。由引力波强度决定的暴胀理论所发生的时刻,将是一个前所未知的物理学崭新的领域。
好吧,理论家说有可能存在原初引力波的信号,那么又该如何去观测呢?引力波作为一种扰动形式,会影响微波背景辐射的温度涨落。你可以把它想象成水面上的一个波对另一个波产生干扰,但是由于影响很弱,只有10%左右,不容易跟其他信号区分开来。于是,人们把目光投向了微波背景辐射的所谓偏振信号,也就是极化信号。要想更好地理解光子极化这个概念,在我丢失太多读者之前,请允许我作一个不太恰当的比喻。

想象一下我们分手的时候(不要告诉我你没有分手过,那我会羡慕死你的),你不会在说完最后一句话后,随机向任意方向离开你的前男友(或者前女友)。没错,大多数人都会选择180°转身离开。如果统计足够多的分手事例,你可以画出“分手路径空间分布图”。你会发现180°离开的人,概率是最大的(我想大概没有人真会无聊到去作这样的统计,不过为什么不呢)。也就是说,空间分布的各向同性被打破了,这就是极化——对方向出现了某种偏好。
还记得我们之前讲到的专门拆散人家质子和电子的那些讨厌的光子吗?一样的道理,它们最后一次跟电子碰撞之后也会携带电子传递给它的方向特性,这个极化信号穿过茫茫宇宙最终被南极的BICEP望远镜观测到。众多的光子与电子碰撞以后集体展现出来的这种方向选择性,可以用两个物理量描述:E模式极化和B模式极化。人们发现,B模式在足够大的空间尺度上,只能通过原初引力波产生!于是,事情听起来似乎变得很简单:只要建造最好的望远镜,但凡看到这种特殊模式的信号——B模式极化信号,就能证明原初引力波的存在!
而这正是约翰·科瓦克和他的伙伴们10多年来一直拼命在做的事情。


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约翰·科瓦克和他在南极极点附近建造的BICEP望远镜(科瓦克身后右手左下方建筑物顶上的碗状物)。图片来源:哈佛-史密松天体物理中心

大爆炸的追梦人说到这里,不妨先介绍一下我曾经的博士导师约翰·科瓦克。我第一次见到科瓦克是在2008年的初夏。当时哈佛天文系有新的教职空缺,几百位申请人最终有5位候选人被允许来学校面试,约翰便是其中一位。第一眼看到他,我只觉得这个人一点架子都没有,年轻帅气健谈,更像一个拖了许久没有毕业的博士生。
面试项目众多,其中一项是在几乎所有在职教授挑剔的眼光中,讲解自己的研究。约翰的演讲非常成功。当时我还在哈佛大学读研究生,主要研究B模式探测的理论和实验模拟,听懂他的报告毫无问题。报告一结束,我就找到约翰打招呼,介绍我的工作。没想到我们聊得太起劲,不小心耽误了他之后的面试程序。这让我很是不好意思,于是到处拉拢小伙伴跟我一起支持约翰来哈佛任教——因为哈佛大学的教授选拔制度较为开明,研究生们对教授候选人的评价也是重要的考核标准。

最后,印象中约翰在5位候选人中排名第3。不过好在排名前两位的人后来都没有接受哈佛大学的教职邀请。终于,约翰于2008年秋天来到哈佛,正式打造哈佛宇宙微波背景研究团队。我也很自然地成为入住约翰崭新而空旷的实验室的第一人,有机会开始跟他合作B模式探测的南极实验。
事实上,约翰从1992年起,每一年就都要去南极,建设宇宙微波背景辐射探测装置。今年他已经是第23次在南极的极昼期间奔赴地球之极了。南极的极昼是北半球的冬天。20多年,他几乎没怎么和妻子家人一起过过圣诞节。对于西方人,尤其是基督教徒来说,这就像我们几十年都不回家过年一样。

幸运的是,宇宙对约翰很公平。2002年,身为研究生的他成功地在当时最先进的微波背景辐射卫星——威尔金森探测器(WMAP)得到结果之前,用设在南极极点的DASI望远镜,率先测量到了另一种宇宙微波背景辐射极化信号——跟B模式对应的,称为E模式。他的这篇博士论文,最终作为封面文章,发表在了《自然》杂志上。《自然》杂志为了发表这篇论文,还特例打破对文章篇幅的限制。因为约翰对《自然》的编辑说,“如果你不让我全文刊登,我就要换杂志了。”可以说,在博士研究生毕业的时候,约翰就已经站到了宇宙微波背景辐射研究领域的最前沿。
也正是在2002年左右,约翰组建了一个20人左右的团队,提议在南极的极点附近建设一台名为“BICEP”的望远镜。BICEP的英文全拼大概可以翻译为“宇宙泛星系偏震背景成像”。这是世界上首次专门针对搜寻原初引力波产生的B模式信号而建造的探测装置。由于投资相对较小,科学目标又非常重要,BICEP项目很快就得到了批准。
梦圆南极极点为什么要把BICEP千里迢迢运到南极去观测?


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美国空军一架LC-130运输机起飞途中飞越设在南极极点附近的望远镜。图中从左到右的望远镜依次是南极望远镜、BICEP2望远镜和凯克阵望远镜。图片来源:Steffen Richter,哈佛大学



考虑到宇宙微波背景辐射的信号特征,以及来自天空中其他辐射源的影响,1000-3000亿赫兹的频率是最佳的观测窗口,这比我们平常听的调频广播频率要高几千倍。不幸的是,这个波段的电磁波会被大气中的水蒸气吸收,同时水蒸气也会发射大量类似频率的信号,极大地影响观测。

因此,观测宇宙微波背景辐射的望远镜,往往被搭建在极为干燥的地点,比如智利阿塔卡马沙漠的高山之巅,再比如寒冷刺骨的南极高原。虽然南极被厚厚的冰层覆盖,但寒冷的温度让南极大气中的水蒸气含量极低。当然不考虑成本的话,也可以把探测器发射到太空中,比如美国航空航天局于2001年发射的威尔金森探测器,以及欧洲空间局于2009年发射的普朗克卫星(Planck)。
可是,南极极点不是任何时候都可以去的。2013年美国国家地理网站公布了世界上7座环境最极端的机场,排名第一的就是南极洲冰跑道。在这些机场起降不仅需要出色的驾驶技术,同时也需要过人的胆量和勇气。

BICEP的人员和工程装备,都要由美国空军的C-130运输机运抵南极洲罗斯岛的美国麦克默多科考站。这里的海冰机场可以说是最让人恐惧的机场之一,即使在条件最好的情况下,这种简易机场也处于不稳定状态,给起降带来不小难度。为麦克默多站运送物资补给的飞机一般在南极极昼刚刚开始的时候使用,此时的天气环境比较适于飞机起降。如果海冰开始变得脆弱,这个机场将停用,而改用罗斯冰架上的另一条冰跑道起降。有时要抵达南极极点或者回来,需要花上一周的时间。


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科学家会在每年南极的夏天极昼期间来到南极极点,为BICEP望远镜加注大量的液氦。图为物理学家乔恩·考夫曼(Jon Kaufman)正为BICEP2加注液氦。图片来源:Jeffrey Donenfeld


尽管条件艰苦,BICEP项目经过紧张的准备,于2005年南极的夏天正式建造,到2006年就开始采集科学数据。由于条件有限,只有在每年南极极昼期间大约3个月的时间里,我们有机会运送给养,修复或者升级BICEP望远镜。这个时候我们会暂停观测,进行紧张的工程建设——比如加注大量的液氦,把整个望远镜都冷却到-270℃附近,来降低探测时的噪音。
在剩下的部分极昼以及整个极夜期间,BICEP会对一个特定的天区进行不间断观测,积累最长的曝光时间,提高探测数据的灵敏度。而在极夜到来之前,绝大多数BICEP成员都会撤出南极。事实上,只有一个人会留下来,我们把这个人叫做“过冬的人”(winterover),望远镜在整个极夜期间的运行和维护都由他来负责。这个岗位很艰苦,不仅任务艰巨,而且6个月见不到太阳的日子可不好过,因为屋子里是寂寞和孤独,屋子外面就是地球之极的黑暗和冰冻。

在下面的图里,左面房顶的“大锅”里是BICEP望远镜,右边的大家伙是直径10米的“南极望远镜”,目标都是对宇宙微波背景辐射进行最为缜密的测量。BICEP的大锅看起来大,其实它的作用只是遮挡来自地表的各种辐射干扰。真正的望远镜口径只有26厘米,大概还没有你的笔记本电脑大。安装在BICEP上的第一代仪器,从2006年观测到2009年。此后升级的第二代仪器BICEP2,观测效率由于探测器技术上的突飞猛进,一下子提高了近10倍!BICEP2于2008年底运抵南极观测站,从2009年运行到了2012年。


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设在南极点附近的BICEP望远镜和南极望远镜。图片来源:哈佛大学


2008年加入约翰的研究团队之后,我主要负责处理分析第一代BICEP望远镜收集的数据。其间大概画了几千个图,做了各种分析手段的尝试和改进,大量的时间是艰难而沉闷的,因为总会有意想不到的困难出现,而你必须找到有效的解决方案,不然就会影响数据分析的可靠性,以及团队的整体进展。对分析结果的检验更是要进行各种严格而繁冗的检查,2009年就收集完成的第一代实验数据,为了配合BICEP的各项数据分析技术测试和交叉检验等要求,直到2013年10月才公布了分析结果,发表了最终的科学论文——这是此次新闻发布会之前,对宇宙原初引力波得到的最好结果。
说实话,对第一代实验的数据分析,本该是我博士论文的题目。但论文发表时,已经是我在麻省理工学院做博士后研究的第二年了。不过,也正是由于我们在BICEP1的数据分析技术上做了非常充分的准备,对软件和观测仪器的理解精益求精,才使得我们对升级后的BICEP2采集的数据能够进行迅速可靠的科学分析。2013年春天,就在BICEP2完成数据采集的第二年,合作组已经得出了初步的分析结果——当时小伙伴们都惊呆了,这是一个非零的B模式信号!!

随之而来的,不是兴奋和欣喜,更多的其实是担心。我们真的探测到原初引力波的信号了吗?还是说,我们有哪里做错了?因为几乎谁都没有想到,B模式信号会被第二代BICEP实验看到,这个信号还比理论学家或者说绝大部分人的猜测都要大。BICEP2使用了当时世界上最先进的探测手段,一切都是新的,经验不多。事实上,对仪器性能的理解一直是困扰整个研究团队进展的关键瓶颈。尽管已经把所有精力都花在对仪器可能产生的影响上,面对一个出乎意料的信号,我们的心里还是在打鼓。在详尽地检查所有可能的错误之前,谁也不敢贸然站出来宣称如此重大的发现。


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BICEP2望远镜下方的控制室。图片来源:Jeffrey Donenfeld



按照通常的科学发现习惯,只有一个结果得到真正地重复和确认之后,人们才会放心地把它作为文明的一部分继承和发展下去。科学或许是最不允许出错的文明积累过程,公布错误的不严谨的科学发现,也会让一个科学家失去很大的信誉,甚至成为耻辱。科学史上不止一次出现过乌龙式的“发现”,最近一次大概要属几年前意大利人的中微子超光速。被证实是仪器连接错误之后,项目负责人据说最终引咎辞职。

好吧,我们要冷静下来,好好检查一下到底哪里会出问题?首要的问题就是,研究积累的数据之间是否相互一致。比如说,把3年的数据分成两份,分别分析每一份,看得到的结果是否一致。另外,还要保证测量的结果的确是我们想测量的原初引力波信号。测量如此微弱的信号,需要极其小心地避免各种可能的、来自测量过程的影响…… 压制着内心的那份激动,紧张而谨慎的数据分析和研究又进行了一年。


“直到我们首次将BICEP2的信号与BICEP1的信号进行比对,两者都检测到了同样的信号,”就像约翰·科瓦克在接受《自然》杂志采访的时候说的,“这是非常有力的证据,因为与BICEP2相比,BICEP1采用的探测器非常不同,使用的技术也完全不同。这就让怀疑的空间大大减小了。终于,我们组内的最后一点质疑也被打消了。”是的,跟BICEP1的对比分析让合作组充满信心,认定看到的就是真正的、来自宇宙最早期的“声音”!

至此,继率先发现E模式极化信号之后,南极的太阳十次东升西落,见证了一群南极极点逐梦人的圆梦时刻——每个宇宙微波背景辐射的猎手都梦寐以求而不得染指的B模式信号,被科瓦克领导的团队发现。他一个人,成为了微波背景辐射极化信号两种模式的发现人和领导者,可谓功德圆满。


尽管在寻找B模式信号的竞赛中,BICEP2走在了最前面,但我要说的是,探索宇宙是人类的梦想,许多人在为之付出生活的全部,尽管他们中的绝大多数人,你永远都不会听说。其他研究小组也在地球上最好的观测点建造各种望远镜,试图寻找这个微弱的信号——包括南极大陆和智利高原,还有欧洲空间局代价昂贵许多的普朗克卫星。
按照现在的计划,普朗克卫星将于2014年10月公布对B模式极化信号的探测结果,普朗克研究团队的同事们都在努力让普朗克的最终结果早日出炉。其他几个地面的观测实验也将大约在1年后得到独立的结果。所有这些实验都在紧锣密鼓地进行着,因为这个发现实在是太重要了,每个人都在持怀疑的态度对待这个革命性的进展。不同的声音也在发布会之后慢慢在科学界产生,BICEP2真的看到了宇宙诞生之初的信号吗?所有人都在等待普朗克以及其他望远镜的结果,他们会验证BICEP2的发现吗?不久的将来我们就会得到确切的答案。也期待着不久之后我们会最终自信地补上了大爆炸宇宙学这项人类最伟大智慧成就之一的最后一片缺失的拼图——宇宙暴胀。在不久的将来,我们将在宇宙纪年表的开头填上这样一笔:在大爆炸创世后的一瞬间,宇宙曾经急速膨胀。
见证历史2014 年是个有趣的年份——爱因斯坦诞辰135周年,这位科学巨人在一个世纪前提出了惊人的广义相对论,我们开始理解这个宇宙的运行方式。同时,整整50年前的1964年,贝尔实验室的两位科学家兼工程师发现了宇宙微波背景辐射,人们开始窥探宇宙婴儿时期的模样。



那时科瓦克坐在大厅的一个不起眼的角落里。可能他无数次地望向阿兰,可那个时候的阿兰还不知道,坐在自己不远处的科瓦克,心里藏着一个多么让人兴奋的秘密,会给他执著了半生关于宇宙诞生的故事提供一个完美的答案。
回顾历史,古斯和威尔逊最重要的贡献都是在自己30多岁的时候做出的。他们享受着宇宙带给人类的惊讶,他们的发现和研究也被后人传承和发展。这就是站在地球上的我们,延续着的文明,对宇宙的理解。

记得爱因斯坦说过,宇宙中最不可理解的事情就是宇宙是可以被理解的。观测宇宙学反复的膨胀着人类认知宇宙的坚定信念和超乎想象的心智与技能。从仰望星空的一瞬间开始,我们就注定被感动,也注定不会停下脚步。无论直接或间接的参与其中,每个人,都生活在这苍穹之下,每个人,都有仰望星空的权利。
可能有人会说,宇宙学的黄金时代已经过去。但在3月17号,我的微博被原初引力波信号的报道刷屏了,大家都在疯狂地谈论着。这是一个值得纪念的日子。BICEP的观测结果告诉我们,宇宙总是充满惊叹,这也是她的魅力所在。我们正在经历着人类认知宇宙的革命性时代,我们在了解过去的先贤不曾认识的宇宙,我们真的很幸运。我想,爱因斯坦也会惊讶我们对宇宙的认知可以前进到大爆炸后的那么一瞬。无论多少次想,你都会觉得不可思议,真的不可思议。

得益于BICEP系列试验最终发现了原初引力波留下的印迹,古斯在30多年前提出的宇宙暴胀假说,终于获得了直接证据的支持。或许在不久之后,阿兰和约翰,或许还有斯坦福大学的教授安德烈·林德(Andrei Linde),会因此获得诺贝尔物理学奖,以表彰他们对宇宙学里程碑式的贡献。我期待着若干年后,我们再来回顾人类对宇宙的认知历程的时候,发生在这里的人和事会被想起,仰望星空的感动会被后来者传承。
最后,按照BICEP组的惯例,我将此文献给加州理工学院已故的天体物理学家、前数学物理天文学部主任安德鲁·朗吉(Andrew Lange)。他在2010年由于抑郁症自杀身亡。他领导的宇宙微波背景气球实验BOOMERanG,率先证实了宇宙的时空是平直的。他生前曾经指导过很多后来从事宇宙微波背景实验研究的重量级学者,其中就包括约翰·科瓦克。我希望朗吉能知道,搜寻B模式极化的信号不像他总开玩笑说的那样,是“宇宙中最大的徒劳无益之事”。我们看到了这个信号,希望他也能。






 宇宙:可有始,可有终?



  在人类历史的大部分时期,有关创世的问题,一向是留给神去解决的。宇宙起源于何处?终点又在哪里?生命如何产生?人类怎样出现?对这些疑问,许多宗教都能给出一份体系完备的答案。至于上帝从哪里来,这种问题是不该问的。直到最近几个世纪,人们才开始学着把神撇开,以超越宗教的角度,去思考世界的本源。这样一来,就有一个重大的原则性问题需要解决:宇宙是永恒存在的,还是有起始的?

  这两种说法长久以来一直困扰着科学家、哲学家和神学家,对于普通人来说,更是难以理解。假设宇宙在时间上没有起源,即过去一直存在,那么宇宙的年龄就是无穷大了。无穷大这个概念,一听就让人头昏脑胀:既然是已经过去了无穷久的时间,我们的“现在”又是什么呢?而如果说宇宙是有起始的,那么它就是从“无”中突然产生的了,这最初的一刹那,又是怎样呢?
  凭着人类在短暂的生命中获得的常识,实在是很难想明白这些东西。不过,我们可以从科学上寻求一些佐证。大爆炸模型的一个基本假设是宇宙的年龄有限,这个说法令人信服的直接理由,来自物理学中一条最基本的定律——热力学第二定律。这条科学史上最令人伤心绝望的定律,冥冥中早已规定了宇宙的命运。

  简而言之,第二定律认为热量从热的地方流向冷的地方。对任何物理系统,这都是众所周知并且显而易见的特性,毫无神秘之处:开水变凉,冰淇淋化成糖水。要想把这些过程倒过来,就非得额外消耗能量不可。就最广泛的意义而言,第二定律认为宇宙的“嫡”(无序程度)与日俱增。例如,机械手表的发条总是越来越松;你可以把它上紧,但这就要消耗一点能量;这些能量来自于你吃掉的一块面包;麦子在生长的过程中需要吸收阳光的能量;太阳为了提供这些能量,需要消耗它的氢来进行核反应。总之宇宙中每个局部的嫡减少,都须以其它地方的嫡增加为代价


  在一个封闭的系统里,嫡总是增大的,一直大到不能再大的程度。这时,系统内部达到一种完全均匀的热动平衡状态,不会再发生任何变化,除非外界对系统提供新的能量。对宇宙来说,是不存在“外界”的,因此宇宙一旦到达热动平衡状态,就完全死亡,万劫不复。这种情景称为“热寂”。

  宇宙正在缓慢地、但坚定不移地走向这无法抗拒的命运,几代智者为此怀疑人类的存在是否有意义。暂且撇开这种沮丧的情绪,作一个简单的推理,我们就可以发现,宇宙不可能有无限的过去。很简单,如果宇宙无限老,那它早就已经死了。以有限速率演变的东西,是不可能永远维持下去的。换句话说,宇宙必然是在某个有限的时间之前诞生的。

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  大爆炸:有推论有根据


  第二定律明示了宇宙有起始,但这个重要推论竟然被19世纪的科学家忽略了,它只是在后来成为大爆炸模型的佐证。该模型的提出,是基于20世纪初的天文观测。
  20年代,天文学家埃德温·哈勃注意到,不同距离的星系发出的光,颜色上稍稍有些差别。远星系的光要比近星系红一些,即波长要长一些,这种现象被称为“哈勃红移”。它说明,各星系正以很高的速度彼此飞离。一列火车快速驶远时,它的汽笛声听来会沉闷很多,因为声波相对于我们的频率变低、波长变长了,这就是多普勒效应。把声波换成光,产生的效果就是红移。哈勃对众多星系的光谱进行研究后确认,红移是一种普遍现象,这表明宇宙正在膨胀。这一发现,奠定了现代宇宙学的基础。
  如果宇宙正在膨胀,那它过去必定比较小。如果能把宇宙史这部影片倒过来放,我们势必会发现,在过去的某个时刻,所有的星辰都是聚合在一起的。这个时间大概是100多亿年前,要准确推断它比较困难。


  另外,宇宙膨胀的速度会随时间发生变化,这与引力有关。万有引力作用于字宙中一切物质与能量之间,起到刹车的作用,阻止星系往外跑,从而使膨胀速度越来越慢。在诞生初期,宇宙从高密度状态迅速膨胀,随着时间的推移,体积越来越大,膨胀速度越来越小。将这个过程向回追溯到宇宙创生的那一刻,可以发现当时宇宙体积为零,而膨胀速度为无限大。这就是大爆炸。大爆炸是空间、时间、物质与能量的起源。这些概念都不能外推到大爆炸之前。大爆炸之前发生了什么、是什么引起了大爆炸,这些问题在逻辑上就是没有意义的。那以前所有的,只是“无”。

  以上所述仅是旁证,似不足以令大多数人信服。如果150亿年前发生了一场大爆炸,如此惊天动地的力量是否在今天的宇宙结构上留下了某种印迹?于是,有一阵子,科研人员热衷于寻找宇宙创生的遗迹,劲头赛过当年的宗教考古学家寻找伊甸园。亚当和夏娃的文物是一样也没发现,原初宇宙最重要的遗迹倒真给找出来了,这就是微波背景辐射。

  按照大爆炸理论,最初的几分钟里,宇宙是一个炽热的火球,到处充满温度高达几十亿度的光辐射。由于此时的宇宙处于热动平衡中,这种辐射具有独特的光谱特征,称为“黑体谱”。1965年,贝尔电话公司的两位物理学家彭齐亚斯和威尔逊偶然发现,宇宙确实浸润在一种热辐射之中。这种辐射以相同的强度从空间各个方向射向地球,其温度约为3K,谱线具有完美的黑体谱特征。微波背景辐射的发现,是对大爆炸模型最有力的支持。


  知道了今天宇宙背景辐射的温度,就很容易推算出,宇宙诞生后约1秒钟各处的温度约为100亿度。在如此高温下,不仅我们熟悉的物质无法存在,连原子核也会被撕得粉碎。宇宙只能是一锅由质子、中子和电子等构成的基本粒子汤。随着这锅汤变冷,核反应发生了。中子和质子很容易聚合在一起,产生由两个质子、两个中子组成的氦核。计算表明,氦核形成的过程持续了大约3分钟,形成的氦约占宇宙物质总质量的四分之一。这个过程用完了所有的中子,余下的质子就成了氢原子核。

  因此,大爆炸模型预言宇宙应当由大约25%的氦和75%的氢组成,这与天文测量结果极为符合。最初三分钟里形成的氢与氦,构成了宇宙中99%以上的物质。形成行星和生命的丰富多彩的重元素,只占宇宙总质量的不到l%,它们大部分是在恒星内部形成的。

  根据推断,宇宙的形成距今约100~200亿年。而宇宙最初就是在这些元素的共同作用下形成。虽然这只是一个推断,但是却有一定的现实意义,希望宇宙起源之谜可以早日解开。


发表于 2016-2-22 03:31:22 | 显示全部楼层
谢谢楼主的好文章!!!
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