一場沖向宇宙黎明的競賽

知識 01-15

編譯｜Shea

暴脹是現代宇宙學的核心。那麼，為什麼到現在天文學家還沒有看到它的任何跡象呢？

阿蘭·古斯（Alan Guth）和安德烈·林德（Andrei Linde）在美國麻省理工學院的報告廳中舉杯歡慶科學的力量。作為暴脹理論的奠基人，他們曾經提出的瘋狂理論，現在有了物理證據，諾貝爾獎似乎也會接踵而至。2014年3月18日的《紐約時報》頭版報道《空間漣漪為宇宙大爆炸提供強有力證據》。美國哈佛大學、斯坦福大學和世界各地的其他大學也競相宣布他們的科學家也參與其中。

在南極，有一架望遠鏡在宇宙最早的輻射——宇宙微波背景——中發現了一個明顯的扭曲特徵。被稱為B模偏振，它被視為是證明在緊接著宇宙大爆炸之後發生過暴脹的決定性證據。這架望遠鏡被稱為宇宙河外偏振背景成像（BICEP）/凱克陣列。

在該發現團隊的公告中，團隊成員美國明尼蘇達大學的克萊姆·普賴克（Clem Pryke）說：「這就像大海撈針，而我們卻發現了一根撬棍。」

幾十年來，暴脹一直是一個被廣泛接受的、但仍未被證實的理論。它認為在宇宙誕生之後僅一萬億億億億分一秒，我們的宇宙從亞原子的尺度膨脹到了一個柚子的大小。

南極日落中的BICEP（前景）和SPT（背景）。版權：Steffen Richter (Harvard University)。

麻省理工學院著名的數學家和宇宙學家馬克斯·泰格馬克（Max Tegmark）那天也在報告廳，他將這個比喻成母親懷著的嬰兒。

「每一天你的大小都會翻倍，如果你在9個月的時間裡一直維持這樣的狀態，那你媽媽肯定就夠受的了，」他說，「對於宇宙也是一樣。」

暴脹理論中不可思議的超光速膨脹才是真正的「爆炸」。（泰格馬克更喜歡把大爆炸本身看作是規模更小的「爆炸」。）暴脹為接下去138億多年的宇宙演化提供了可能，從夸克到原子、恆星和行星——甚至生命。

舉杯相慶的宇宙學家古斯和林德正是率先提出存在這一暴脹時期的科學家。1979年，它脫胎於優美的數學模型，當時古斯提出該模型是為了解釋奇異的磁單極粒子的缺失，它們本應在大爆炸中被創造出來。古斯發現，我們的宇宙並非是缺少單極子，它們只是被暴脹的高速膨脹稀釋了。

但暴脹能做的遠不止於此。正如古斯所喜歡指出的，宇宙大爆炸其實根本就不是一個真正的有關爆炸的理論。它所描述的是爆炸的後果，不涉及導致大爆炸的物理機制，也無法回答是什麼以及為什麼發生了爆炸。

古斯花了半年的時間來研究這個問題，直到在一個漫長的夜晚，他構想出了一種「壯觀的實現」。

古斯的理論在描述這個爆炸上非常特別。它認為，在一開始的時候時空具有負壓強，表現為可以對抗引力的斥力。在短暫的瞬間，這個斥力發威，驅動空間在很短的時間內發生指數式的膨脹，其膨脹速度甚至可以超過光速。

然而，光有古斯的暴脹還不夠。它並不能使得宇宙繼續膨脹成我們現在所看到的樣子。他的暴脹模型會把宇宙變成一個由碰撞和融合的泡泡所組成的無窮混合體。暴脹需要林德的幫助。古斯的模型包括了所有的宇宙，但1981年林德計算髮現在任何一個地點都會發生膨脹。他的暴脹理論被稱為混沌暴脹，把我們的宇宙變成無窮的多重宇宙中的一個。

35年來，暴脹已佔據了宇宙學的核心位置，因為它可以解釋一個又一個的有趣問題。相比其他任何的理論，暴脹能更好的解釋為什麼空間是平直的以及宇宙中相距遙遠的地方是如何相聯的。根據暴脹理論，計算機模擬可以重建出宇宙的大尺度結構。

總之，沒有暴脹理論將會是物理學的一大損失。沒有暴脹，標準宇宙學標型就沒有了它的起點。

BICEP（左）和SPT（右）的俯視圖

塵埃落定

但是，該怎麼去檢驗如此大膽的一個理論？理論家預測，其指數式的膨脹會以引力波的形式留下明顯的印記，而這些引力波會扭曲光線，在宇宙微波背景輻射中產生B模偏振信號。

然而，儘管古斯和林德在慶祝BICEP的結果，但對這一B模發現的質疑也開始在學術界悄然發酵。一些理論家指出，觀測到的偏振信號比預期的強太多。其他人則質疑該團隊在沒有經過同行評議就先召開新聞發布會宣布結果的做法。

「很快，質疑都集中到了BICEP團隊分辨宇宙微波背景和塵埃的能力上，」美國加州大學伯克利分校的天文學家馬丁·懷特（Martin White）說，他也是參與歐洲空間局普朗克任務的科學家。這一懷疑被證明是有理有據的。普朗克探測器測量了天空中較BICEP所觀測的更大得多的區域，但解析度較低。它的最終結果顯示，BICEP所探測到的大部分信號都受到了來自我們銀河系中前景塵埃的干擾。不幸的是，這些干擾信號幾乎遍布整個天空。

現在，距離國際媒體頭條新聞宣布這些引力波的發現已經過去了2年，科學家也已經確信BICEP看到的是塵埃——並非暴脹。但是，就這些信號中還有什麼目前仍不確定。來自時間之初的B模信號是不是有可能隱藏在其中呢？

一場尋找暴脹首個證據的競賽正在不斷升溫。眼下至少有8台儀器正在搜尋大爆炸的這些細語。為了要找到它們，宇宙學家們首先要破除掉一切的干擾。

位於智利沙漠中的阿塔卡馬宇宙學望遠鏡。版權：M. Devlin

宇宙大爆炸仍在燃燒的餘燼

BICEP並不是第一個因宇宙微波背景的信號而感到沮喪的團隊。1964年，美國貝爾實驗室的科學家阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）在使用位於新澤西的高靈敏度喇叭天線做射電天文學研究時，他們發現在天空中有一個揮之不去的微小雜訊。

兩人最終排除了它來自地球、太陽甚至是我們自己的銀河系。這個雜訊來自四面八方。

他們不知道的是，就在距離他們不遠的普林斯頓，以羅伯特·迪克（Robert Dicke）為首的一組天體物理學家正在準備去搜尋彭齊亞斯和威爾遜所發現的這一信號。雖然自從維斯托·斯里弗（Vesto Slipher）和埃德·溫哈勃（Edwin Hubble）的觀測證明宇宙在膨脹已經過去了幾十年，但有關宇宙大爆炸的辯論卻仍在激烈進行中。只要把宇宙膨脹反過來推演，天文學家就會發現到整個宇宙都融合於一點。

如此前其他人所做的，迪克的小組認為，當大爆炸開啟這一膨脹時，它必定會把微波輻射播撒遍整個宇宙。令人難以置信的是，他們所預言的輻射與喇叭天線所探測到神秘信號非常吻合。兩個小組同時發表了他們的發現。彭齊亞斯和威爾遜偶然發現的信號為他們摘得了1978年的諾貝爾獎。而現在，宇宙微波背景輻射也成為了大爆炸宇宙學的堅強支柱。

從那以後幾十年來，我們已經很清楚地知道宇宙微波背景輻射充滿了整個宇宙，存在於所有的方向上，它們的亮度也大致相同。

宇宙微波背景中的光子是宇宙在大爆炸之後38萬年變得透明時所留下的遺迹，當時的宇宙已經冷卻到約3 000開。在這之前，宇宙是一鍋過於濃稠的粒子湯，自由電子和質子無法結合形成宇宙中最主要的成分——氫。

宇宙學家稱之為複合時期，它使得光子可以自由地在太空中穿行。因此，天文學家看到的每個宇宙微波背景光子都來自於近138億年前它們和電子發生最後一次散射的地方。美國宇航局戈達德空間飛行中心的宇宙學家、2006年諾貝爾獎得主約翰·馬瑟（John Mather）說：「宇宙微波背景亮度的分布圖所顯示的是從每一個方向於現在抵達我們的輻射。如果你再等上10億年，仍然會有輻射從各個方向源源不斷地到來。」

這種平滑度也被認為是暴脹的產物。在宇宙誕生後10^-34秒，暴脹的快速膨脹已經抹平了充滿宇宙的高溫電離氣體中任何的團塊。

但微小的量子漲落——變化幅度在十萬分之一的水平上——會引入新的密度起伏。引力會把越來越多的物質吸引到稠密的區域中。它們是將來形成星系和星系團的「種子」，也在宇宙微波背景中留下了斑斑點點。

自彭齊亞斯和威爾遜發現宇宙微波背景起，天文學家就已經知道，當其中的光子穿行於宇宙中時，位於其進行路線上的物質，例如宇宙歷史早期的大尺度結構，會使得其具有「各向異性」——宇宙微波背景中微小的溫度差異。在飛往地球的過程中，宇宙微波背景光子在這些結構中逗留的時間越長，它的溫度看上去就越低。這一溫差讓天文學家能以一種全新的方式來研究宇宙，揭示了它的演化。

光以波的形式傳播，就像在大洋表面運動的水。如果它們在某個特定的方向上發生振蕩，這些波就具有了偏振。例如，水波會上下振蕩。當地球大氣中的粒子反射陽光時，地球的藍天也就有了偏振。

同樣，宇宙微波背景也會具有微小的偏振。但它的方向則是由早期宇宙中的物質來決定的。

同樣位於智利沙漠中的「北極熊」。版權：POLARBEAR

計算扭曲

1996年，斯洛維尼亞的理論宇宙學家、現美國加州大學伯克利分校教授烏羅什·塞利亞克（Uros Seljak）在尋找新的方法來從宇宙微波背景中提取信息，他懷疑其中還隱藏著秘密。

與由星系所產生的大尺度顯著影響不同，塞利亞克想要尋找宇宙微波背景中的小尺度扭曲。他提出，如果暴脹確實發生了的話，那麼在劇烈的膨脹階段會形成大量的引力波，隨後它們會傳遍整個宇宙。這些引力波也會扭曲宇宙微波背景中的光，產生一個標誌性的旋渦形狀。如果在天空中觀測到了這一現象，就能為暴脹提供物理證據。

以磁場的符號，塞利亞克將這一理論上所預言的扭曲稱為B模。類似於電場的偏振則被命名為E模。他的論文和其他的研究開啟了探測B模偏振的熱潮。

「實驗物理學家非常迅速地就抓住了這個想法，」他說，「當然，他們目前還沒有足夠的敏感度來看到它，而為了達到現在的靈敏度則差不多花了近20年的時間。」

在探測B模的項目中，BICEP是最雄心勃勃的。它第一個達到了尋求供答案所需的的解析度。「這是一場自1997年持續至今的比賽，現在我們終於達到了能開始取得成果的地步，」塞利亞克說。

傑米·博克（Jamie Bock）是美國加州理工學院的一名實驗宇宙學家。10多年前，他和其他幾個物理學家一起設計並建造了BICEP。從那時起，這個團隊就在南極對天空進行系統地勘測。他們的目的是測量宇宙微波背景中的B模偏振。該團對稱這一信號為宇宙引力波背景。

南極的高海拔和乾燥氣候為進行微波觀測提供了一個完美的地點，而在地球上的其他地方微波很容易就會被水蒸汽吸收掉。

光的本質是電磁波，具有磁場和電場分量，電場的振蕩方向即為偏振方向。偏振可以形象地用線段來表示：B模具有扭曲和渦旋的形狀，E模則則是無旋的。

遺迹輻射

在探測B模的競賽中，BICEP並不是唯一的參賽選手，但其他與之競爭的項目則做出了妥協，以確保它們也可以回答更多有關宇宙的問題。

因此，當BICEP不斷在小尺度上提高其測量精度之時，其他的團隊則正在從相反的方向來推進。南極望遠鏡（SPT）和阿塔卡馬宇宙學望遠鏡偏振計（ACTPol）正在使用其龐大的儀器來完成對宇宙微波背景大尺度的巡天。它們的研究結果預計很快就會公布。

「我認為，進行不同的測量對這個領域來說是有益的，」博克說。

使用ACTPol、SPT和「北極熊」（POLARBEAR）——另一個位於智利阿塔卡馬的宇宙微波背景偏振實驗，天文學家正在使用宇宙微波背景來研究宇宙中的大尺度結構，例如早期星系。當宇宙微波背景輻射穿過一個星系團時，其光子會和星系團中的電離氣體發生相互作用，進而改變了光子的波長。

高新ACTPol的首席科學家蘇珊·斯塔格斯（Suzanne Staggs）說：「宇宙微波背景中的每一個光子在飛往我們的過程中平均會受到50次這樣的影響。」

這就可以把宇宙微波背景作為光源，天文學家可以通過研究其中的斑點來編纂出新的星系團表，其中一些的距離和大小甚至超過了此前所已知的。因此，即便這些實驗沒有探測到B模，天文學家也能夠了解有關早期宇宙中星系演化的驚人內幕。

然而，這一效應也會干擾B模的探測。當一個有偏振的宇宙微波背景光子穿過這些星系團時，由此產生的引力透鏡效應會給它增加額外的扭曲。要探測到來自暴脹的B模信號，這些效應必須要像塵埃干擾一樣被去除掉。

「從我們目前所看到的來說，我個人感覺，你必須要在每一個地方都對其進行修正，」斯塔格斯說，「但這目前還做不到。隨之而來的問題是這個改正有多大，以及在什麼樣的程度上你覺得你可以完全相信它。」

另一個與BICEP相競爭的項目是一架搭載在氣球上望遠鏡，被稱為「蜘蛛」，它高高得飄浮在會干擾觀測的地球大氣之上。這個項目包含了來自BICEP、SPT和其他項目的成員。2015年1月，它在南極上空收集了宇宙微波背景的數據。

2016年的第二次飛行在地面也能觀測的頻率上來進行，以便進行比較。

對於BICEP來說，引力透鏡信號已經與其儀器雜訊在相同的水平上。這表明在沖向暴脹的競賽中該團隊佔據了優勢——他們的儀器最靈敏。「現在我們就在這個突破點上，」博克說。

在宇宙微波背景光子飛向地球的過程中，類似星系團這樣的大尺度結構會對其產生偏折作用。這一引力透鏡效應會使得宇宙微波背景光子具有額外的微小扭曲，它雖然有助於了解宇宙的演化，但卻會干擾對暴脹信號的探測。版權：ESA/the Planck Collaboration。

漸暗的線索

第一代的BICEP是一個僅使用了98個探測器的陣列。但到2015年開始觀測的時候，這個數字已增長到2 560個，使BICEP具有了驚人的集光能力。

不過，需要指出的是，沒有人能確保B模就一定會真的存在。這是BICEP必須要冒的真正風險。它把賭注全壓在了最流行的林德的混沌暴脹理論上，來探測由它所預言的原初B模。

因此，當BICEP2在2014年看到B模在天空中是如此的強時，甚至博克自己都感到很驚訝。宇宙學家使用比值r來度量這一信號，它表徵的是在早期宇宙中引力波相較於密度變化的對比度。簡單來說，r代表著暴脹的強度。BICEP測得的r值為0.2，大約是預言的2倍。這一強度被視為是對林德的混沌暴脹模型的支持。在這一發現被公布之後，整個暴脹理論界都開始慶祝。

然而，對此的首批科學質疑之一便來自B模的命名者——塞利亞克本人。

「和其他人一樣，我也對BICEP的結果感到興奮，我們都在慶祝，」他說，「隨後，我開始查看那些在普朗克探測器會議的論文集中已經公布的結果。」

塞利亞克發現，BICEP團隊在與普朗克探測器的結果進行比較時，使用了過時的數據。當把普朗克探測器的新結果帶入之後，探測到來自銀河系之外B模信號的置信度便消失了。

「我們問了一個很簡單的問題：BICEP的信號是否有可能來自塵埃？」塞利亞克說，「對這個問題的分析顯示，這些信號完全可以用塵埃來解釋。」

「實際上，這一結果之後變得越來越沒有說服力，」他補充道。「BICEP和普朗克探測器之間的聯合分析表明僅有存在B模的一絲跡象，而現在即便是這個跡象也消失了。」

宇宙微波背景與塵埃分布圖的比較。上圖為BICEP2所探測到的B模信號，看上去與暴脹引力波所產生的偏振類似。下圖為普朗克探測器所探測到的來自塵埃的偏振輻射，其中用白線勾出的區域與BICEP2所觀測的天區。通過仔細地比對兩者，結果顯示BICEP2的信號受到了塵埃輻射的嚴重干擾。版權：上圖：BICEP；下圖：ESA/Planck Collaboration。

隨之而去的還有對混沌暴脹理論的支持。但BICEP團隊仍在搜尋天空，將他們的目光放在95千兆赫的頻率上，在這個波段上他們的儀器對宇宙微波背景會比對塵埃更加的敏感。一旦他們把這些測量結果和此前的歸總到一起，應該可以把他們的測量誤差減小到之前的1/2，進而澄清暴脹的信號是否真的存在。

BICEP的最新數據已於2016年1月底公布，支持了此前信號來自塵埃的論斷，並進一步調低了r的上限（r

「如果沒有探測到信號，也同樣是吸引人的，」博克說。也就是說，如果儀器什麼都沒有發現，那麼理論家將不得不回到原點，思考一下我們對暴脹的理解可能出現了什麼問題。

從塞利亞克的角度來看，暴脹理論是有生命力的。它對宇宙的解釋極具價值。然而，塞利亞克也認為，搜尋時間之始的B模競賽已經排除了某些特定版本的暴脹——值得注意的是，其中不乏見於今天大多數教科書中的。「不管怎麼說，暴脹是一個非常有說服力的理論，」他說，「它有許多已經被證實的東西。」

題圖來源：699.pic

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本文來自科學松鼠會

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