美國(guó)哈佛—史密森天體物理學(xué)中心等機(jī)構(gòu)組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在北京時(shí)間3月18日宣布，他們發(fā)現(xiàn)了被愛(ài)因斯坦稱(chēng)之為“時(shí)空漣漪”的宇宙原初引力波存在的直接證據(jù)，進(jìn)而可以有力證明暴漲理論的可靠性。早在幾年前，就有科學(xué)家預(yù)言，由于宇宙大爆炸產(chǎn)生的引力波可能會(huì)作用于宇宙微波背景，并且留下暴漲的證據(jù)。因此，無(wú)論是誰(shuí)探測(cè)到了它，幾乎可以拿到諾貝爾獎(jiǎng)。這也就不難理解，為何此次BICEP2 望遠(yuǎn)鏡的新發(fā)現(xiàn)能令整個(gè)宇宙學(xué)界為之振奮。

暴漲“拯救”大爆炸理論

事實(shí)上，真正讓宇宙學(xué)家們興奮不已的，并不是觀(guān)測(cè)到了引力波留下的痕跡本身，而是眾多暴漲理論的支持者們終于找到了關(guān)鍵性證據(jù)，用來(lái)解釋緊接著大爆炸之后宇宙究竟是怎樣演化的。

在過(guò)去的一個(gè)多世紀(jì)里，宇宙大爆炸理論早已立穩(wěn)了腳跟，幾乎沒(méi)有人懷疑它的可靠性。宇宙是起源于大約138 億年前的一場(chǎng)大爆炸，原初宇宙的直徑只有10-35 米，經(jīng)過(guò)138 億年的膨脹，直徑已有800 多億光年。然而，從無(wú)窮小的尺度到無(wú)窮大的尺度變換，如果以目前宇宙膨脹的速度來(lái)看，是不可能實(shí)現(xiàn)的。

美國(guó)物理學(xué)家阿蘭·古斯最早提出了宇宙暴漲的假設(shè)，從大爆炸之后的10-36 秒開(kāi)始持續(xù)到10-33 秒到10-32 秒之間，宇宙空間膨脹了至少1078 倍，可見(jiàn)這次瞬間的膨脹有多么劇烈。

不過(guò)，暴漲理論之所以能成為宇宙是如何發(fā)展到現(xiàn)在的狀況的主導(dǎo)理論，理由遠(yuǎn)不止于此。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員陳學(xué)雷向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者解釋?zhuān)蟊ɡ碚撾m然得到廣泛認(rèn)可，但它并不完美。因?yàn)樵谠械拇蟊ɡ碚撃Ｐ拖拢袔讉€(gè)難題一直困擾著物理學(xué)家。

宇宙自其誕生后大約38 萬(wàn)年以來(lái)便充滿(mǎn)輻射，這種粒子背景被稱(chēng)作“宇宙微波背景輻射（CMB）”，在對(duì)CMB 的測(cè)量中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)原始光溫度幾乎是均勻的。在非暴漲模型下，宇宙不同部分的溫度是存在巨大差異的，只是隨著時(shí)間的推移才達(dá)到均衡。然而，目前宇宙的年齡被鎖定在138 億年，在宇宙學(xué)中，這個(gè)年齡實(shí)在太年輕了。因此，目前為止宇宙空間是無(wú)法達(dá)到光溫度的均衡的。這被稱(chēng)為大爆炸理論中的視界問(wèn)題。

不過(guò)，暴漲理論則能夠給出一個(gè)很好的解釋。所有的物質(zhì)最初都從相同的地方以相同的溫度開(kāi)始，由于突然加速膨脹，因此不同部分之間只有微小的溫度差異。

陳學(xué)雷還指出，根據(jù)基本粒子物理學(xué)的理論，宇宙從一個(gè)很高的溫度下降之后，應(yīng)該有大量的磁單極子，然而我們始終沒(méi)有觀(guān)測(cè)到它們的身影，即便存在，也可以想見(jiàn)它們非常稀少，這又產(chǎn)生了一個(gè)悖論。可同樣，暴漲提供了一種說(shuō)法，因?yàn)楸q可以把原本存在磁單極子稀釋掉。

此外，暴漲理論還能表明，為什么今天觀(guān)測(cè)到的宇宙是近乎平直的。想象一下，宇宙就像一個(gè)被吹得無(wú)窮大的氣球，它的表面看上去就像一個(gè)非常平坦的平面。甚至宇宙形成的這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)也可以用暴漲理論來(lái)解釋?zhuān)谥猩酱髮W(xué)天文與空間科學(xué)研究院院長(zhǎng)李淼看來(lái)，所有星系形成之前的種子來(lái)源于暴漲時(shí)期的量子漲落。那個(gè)微小到只有十萬(wàn)分之一的漲落后來(lái)被萬(wàn)有引力放大，從而出現(xiàn)了恒星和星系。

暴漲的謎團(tuán)與預(yù)言

僅僅看到暴漲理論的優(yōu)勢(shì)，也就不存在物理學(xué)家對(duì)此的爭(zhēng)論。事實(shí)上，暴漲理論自身還存在重要的謎團(tuán)沒(méi)有解開(kāi)。

李淼告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，迄今為止，物理學(xué)家還并不確定暴漲的動(dòng)力學(xué)起源究竟是什么。物理學(xué)家設(shè)想了很多理論，例如大統(tǒng)一論、弦論等等，但都無(wú)法得到準(zhǔn)確的答案。李淼說(shuō)，最近的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，暴漲可能來(lái)自于一個(gè)很簡(jiǎn)單的模型，但越是簡(jiǎn)單就越難以解釋。而美國(guó)普林斯頓大學(xué)物理學(xué)家保爾·斯坦因哈特曾經(jīng)提出，暴漲存在的一個(gè)更大的問(wèn)題還在于人們不知道它究竟是如何停下來(lái)的。

可既然這些問(wèn)題目前還無(wú)從下手，科學(xué)家能想到的證明暴漲理論的辦法，就是通過(guò)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)找出它曾經(jīng)留下的蛛絲馬跡。

據(jù)陳學(xué)雷介紹，在暴漲理論模型下，存在著幾個(gè)重要的預(yù)言，首先，宇宙是平坦的；其次，暴漲理論模型所預(yù)言的原初密度擾動(dòng)屬于絕熱擾動(dòng)，并且非常接近于高斯分布；此外，高斯分布的擾動(dòng)還能得到一種接近于標(biāo)度不變但是又稍稍偏離標(biāo)度不變的功率譜。

“盡管這些預(yù)言已經(jīng)有了觀(guān)測(cè)證據(jù)，但都不是證明暴漲理論存在的直接證據(jù)?！标悓W(xué)雷表示，暴漲理論并不只有一種，而是存在很多變體，例如賽道暴漲、多場(chǎng)暴漲和超延展暴漲等等。這些模型可以都符合這些預(yù)言，但如果單獨(dú)拿出一條預(yù)言，理論上也可以再構(gòu)建一種暴漲模型使它不符合這條預(yù)言。

因此，物理學(xué)家把目光聚焦到了暴漲理論最重要的一條預(yù)言，那就是引力波。

早在100 多年前，愛(ài)因斯坦就在廣義相對(duì)論中預(yù)言了引力波的存在，但他同時(shí)指出這種現(xiàn)象將極其微弱，人類(lèi)恐將永遠(yuǎn)也無(wú)法探測(cè)到它。

據(jù)李淼介紹，微波背景輻射就是光子，光子具有偏振性，它分為兩類(lèi)，一類(lèi)就好像有源，比如一個(gè)電荷引起的電場(chǎng)，是向外發(fā)散的，也叫E模式；另一類(lèi)則沒(méi)有源，呈旋渦狀，這也被稱(chēng)為B模式。而暴漲時(shí)期產(chǎn)生的引力波會(huì)在微波背景輻射上留下旋渦，也就是B 模式的特殊偏振。因此，只要找到引力波在微波背景輻射上留下的特殊印跡，就意味著可以找到暴漲理論存在的直接證據(jù)。

陳學(xué)雷告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，與暴漲理論同時(shí)期的其他理論并不預(yù)言引力的存在，而最簡(jiǎn)單的暴漲則會(huì)產(chǎn)生較大的B 模信號(hào)，且正好落在“普朗克”的可探測(cè)范圍之內(nèi)。

此次，研究人員在適合觀(guān)測(cè)宇宙大爆炸微弱余波的南極，發(fā)現(xiàn)了比預(yù)期中要強(qiáng)烈得多的一個(gè)B模式極化信號(hào)。用三年多的時(shí)間檢驗(yàn)這些數(shù)據(jù)，排除了其他可能的來(lái)源，證實(shí)是由引力波留下的。

不過(guò)，隨即又有理論物理學(xué)家提出質(zhì)疑，尚不能排除觀(guān)察到的B 型偏振模式的非暴漲源的可能性。對(duì)此，陳學(xué)雷認(rèn)為，理論上，在已有引力波存在的證據(jù)基礎(chǔ)上，科學(xué)家可以重新構(gòu)建一個(gè)更為復(fù)雜的非暴漲理論模型，使其同樣能夠預(yù)言引力波的存在。但對(duì)它的證明也可能更為困難。

暴漲與多重宇宙論

暴漲理論如此吸引人，還在于物理學(xué)家在此基礎(chǔ)上提出了“多重宇宙”的設(shè)想。

李淼介紹，暴漲是一種能量場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的，這個(gè)場(chǎng)的取值比較大，而在大場(chǎng)理論下通常會(huì)產(chǎn)生所謂的永恒暴漲，因此，容易產(chǎn)生多重宇宙。

按照美國(guó)斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家安德雷·林德的說(shuō)法，由于量子漲落，宇宙中的一些地方可能會(huì)比其他地方受到更強(qiáng)的暴漲力的作用，這就會(huì)形成一個(gè)個(gè)的凸起。但是由于暴漲巨大的作用力，這些凸起會(huì)迅速膨脹成一個(gè)新的、完整的宇宙。

陳學(xué)雷進(jìn)一步解釋?zhuān)M管在最初的高能狀態(tài)下，宇宙適用于同一套物理定律，但由于暴漲后的宇宙溫度都會(huì)逐漸下降，在低能的宇宙里，各個(gè)性質(zhì)可能都不一樣。因此，物理學(xué)家無(wú)法知道支配著我們這個(gè)宇宙的物理規(guī)律是否也同樣適用于其他的宇宙。

不過(guò)，李淼坦言，盡管多重宇宙論者對(duì)暴漲理論證據(jù)的獲得表示出了很大的興趣，但多重宇宙依然只是一個(gè)假設(shè)，人類(lèi)生存的宇宙之外的宇宙，目前還沒(méi)有辦法被觀(guān)測(cè)到。