悠悠

2014年3月17日，美國哈佛大學(xué)的約翰·科瓦奇向世界宣布，他和自己的射電天文學(xué)團隊發(fā)現(xiàn)了宇宙大爆炸的引力波痕跡。他們使用架設(shè)在南極的BICEP2望遠(yuǎn)鏡進行觀測，在宇宙微波背景輻射的偏振信號中發(fā)現(xiàn)了原初引力波的痕跡。宇宙微波背景輻射有時也被稱為大爆炸“余暉”，微波背景輻射的偏振信號與某種太陽鏡的偏振現(xiàn)象類似。

他們獲得的微波背景輻射偏振圖，具有獨特旋渦或者卷曲結(jié)構(gòu)，有類似鐵屑灑在磁鐵表面產(chǎn)生的效果。該現(xiàn)象是宇宙在暴脹過程中產(chǎn)生引力波擴散的指示器。

宇宙微波背景輻射的偏振圖可以分為兩個部分。一個是旋度為零的部分（類電場部分），稱為“E模偏振”，簡稱為“E?！?。這種偏振最先于2002年被度角尺度干涉儀（DASI）發(fā)現(xiàn)。另一個是散度為零、旋度不為零的部分（類磁場部分），稱為“B模偏振”，簡稱為“B?！?，具有手征性。宇宙學(xué)家已預(yù)測出兩種B模：第一種是在大爆炸發(fā)生后的瞬間發(fā)生宇宙暴脹時生成，第二種是在后來由引力透鏡生成。

約翰·科瓦奇探測到的是第一種B模。稍早時候，南極望遠(yuǎn)鏡已發(fā)現(xiàn)了第二種B模。這一發(fā)現(xiàn)可能對檢驗宇宙起源理論有所幫助?？茖W(xué)家現(xiàn)在正在使用普朗克衛(wèi)星測得的數(shù)據(jù)進行分析，希望能夠更進一步了解這些引力波。

宇宙暴脹發(fā)生在宇宙大爆炸之后，是宇宙經(jīng)歷指數(shù)級擴張的一個短暫時期（本刊2013年第A12期有詳細(xì)解釋）。如果這項發(fā)現(xiàn)得到確認(rèn)，“宇宙大爆炸”理論將得到證實。

問：您和您的團隊在BICEP2實驗望遠(yuǎn)鏡觀測到的宇宙微波背景、輻射數(shù)據(jù)中看到了什么？

答：最重要的結(jié)果是我們發(fā)現(xiàn)了探測暴脹模型的隱含信息，我們看到了原初引力波的直接圖像。原初引力波使得光線以獨特的方式發(fā)生偏振。宇宙微波背景輻射是大爆炸之后38萬年的快照，當(dāng)時，宇宙微波背景輻射首次自由穿過太空，而引力波信號則在宇宙誕生后的一瞬間出現(xiàn)，并疊加在宇宙微波背景輻射信號上。

問：這項發(fā)現(xiàn)還有其他的重要意義嗎？

答：研究宇宙學(xué)的人都知道，宇宙暴脹B模預(yù)測并未被廣泛認(rèn)可，其不僅取決于引力波現(xiàn)象，還基于引力自身量化。宇宙暴脹理論假設(shè)任何物質(zhì)都起始于量子起伏，之后伴隨暴脹過程被放大。因此，從深層次角度來講，這項發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)在于量子力學(xué)和引力理論的關(guān)聯(lián)性是正確的。

問：BIcEP2實驗望遠(yuǎn)鏡探測到的B模偏振信號是普朗克探測器觀測數(shù)據(jù)的2倍，這暗示著什么呢？答：迄今公布的普朗克探測器觀測數(shù)據(jù)來自宇宙微波背景輻射的溫度地圖，并非來自一種直接偏振測量。我們在這項分析工作中十分小心謹(jǐn)慎，但是我必須承認(rèn)我們的觀測數(shù)據(jù)與普朗克觀測數(shù)據(jù)相比，具有較高的信噪比。在過去三年里，我們致力于解決一切可能篡改該信號的系統(tǒng)問題，我們已做了最詳盡的科學(xué)分析。

問：你何時意識到探測到了夢寐以求的“宇宙暴脹理論的直接證據(jù)”？

答：2013年秋季，我們首次對比分析了BICEP2和BICEP1的觀測數(shù)據(jù)，這是最有力的證據(jù)。因為BICEP1采用非常獨特的探測器，擁有成熟的技術(shù)，我們使用了不同設(shè)備和完全不同的技術(shù)，最終獲得的信號數(shù)據(jù)卻是一致的，從而打消了我們最后的疑慮。

12月初，我在南極召開了一次緊急會議，并展示了我們的測試數(shù)據(jù)，以及仍須檢測的數(shù)據(jù)。等這些測試通過，我們將會全部公開。

問：你們當(dāng)時慶祝了嗎？或者之后慶祝了嗎？

答：我在整個過程中始終保持冷靜，進行慶祝的時間應(yīng)當(dāng)是在發(fā)布最終研究結(jié)果時。

問：什么使你對宇宙微波背景輻射產(chǎn)生興趣？

答：我在高中時代閱讀了史蒂芬·溫伯格有關(guān)宇宙學(xué)的書籍《最初的三分鐘》，被深深地吸引了。我還記得書中一些內(nèi)容：“現(xiàn)在我們迎來了一個完全不同的天文學(xué)時代，這是一個10年前無法理解和描述的故事。我們所研究的將不再是銀河系或者類似星系數(shù)億年前釋放的宇宙光線，而是宇宙誕生時四處彌漫的射電背景?！?/p>

這段內(nèi)容是溫伯格介紹宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)及其重要意義時說的。對于宇宙學(xué)而言，這是一個全新的概念。當(dāng)時我還是一個孩子，我覺得這是最酷的科學(xué)研究，畢竟沒有比這更大的問題。

我選擇在普林斯頓大學(xué)讀本科是因為這本書提過這所大學(xué)。宇畝微波背景輻射天文學(xué)領(lǐng)域中的幾位重要人物：吉姆.皮布爾斯、羅伯特-迪克和大衛(wèi)·威爾金森都來自這所大學(xué)。更為幸運的是，我成為大衛(wèi)·威爾金森的學(xué)生，并協(xié)助他完成了一些校內(nèi)工作。在他的指導(dǎo)下，我進入宇宙微波背景輻射實驗室。當(dāng)時，他們計劃在南極建造一臺宇宙微波背景輻射望遠(yuǎn)鏡，我被深深地吸引了。實際上，在上學(xué)期間，我有一年時間在校外度過，并依靠自己的能力獲得前往南極實驗站的機會。1990年至1991年間，在宇宙背景探測器（COBE）衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射首次出現(xiàn)波動不久，架設(shè)在南極的望遠(yuǎn)鏡觀測到了同樣的宇宙微波背景輻射，兩者相隔不到一年時間。從那以后，我持續(xù)從事這項研究，去了南極23次?，F(xiàn)在回想起來，非常慶幸自己能在宇宙微波背景輻射領(lǐng)域的最前沿工作。

問：你的書架上存放著加州理工學(xué)院已故天體物理學(xué)家安德魯·蘭格的照片。在他2010年因抑郁癥自殺身亡之前，曾指導(dǎo)過許多參與宇宙微波背景輻射實驗的學(xué)生。他在你的事業(yè)生涯中起到了何種作用？

答：我在來到哈佛大學(xué)之前曾經(jīng)在加州理工學(xué)院安德魯·蘭格的實驗室進行博士后研究工作，之后又成為高級研究員。蘭格在學(xué)術(shù)方面給予我許多靈感，同時也是我的益友。在研究工作中，他委托給我重要的任務(wù)，鼓勵我參與BICEP1望遠(yuǎn)鏡的安裝與操作，并引導(dǎo)我完成下一代研究項目，使我成為BICEP2望遠(yuǎn)鏡的首席科學(xué)家及研究報告的第一作者。

蘭格喜歡將尋找B模偏振描述為“宇宙學(xué)最大的徒勞的事情”。他一定很喜歡看到這個研究成果，知道我們并非徒勞！

我也是芝加哥大學(xué)天文學(xué)家約翰·卡爾斯特姆的研究生。雖然目前卡爾斯特姆是我的競爭對手之一，但他也是我最親密的朋友，我有兩位偉大的導(dǎo)師。

問：你的兒子今年多大？他是如何看待你的研究工作的？

答：我的兒子今年9歲，他對我的研究工作非常興奮。他能理解許多內(nèi)容，甚至能夠向我的妻子解釋，我對此感到十分驚訝。如果他年齡再大一點，可以和我一起前往南極。endprint