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宇宙大爆炸从假说确立为事实 爱因斯坦声誉被捍卫

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图为南极璀璨星空下的BICEP2射电望远镜,就是它帮助科学家观测到了证实宇宙大爆炸理论的关键证据。(资料照片)

我们从哪里来、时空如何开始、宇宙为什么如此存在--这三个关于世界本原的终极问题,从昨天开始不再只是一个哲学命题,而是拥有了坚实的科学基础。以哈佛大学为首的科学小组通过一次史无前例、充满奇思妙想的实验,揭开了长期困扰科学界的谜题。

从这个角度出发,科学界将它看成是史上最伟大物理学发现之一。原中国引力与相对论天体物理学会理事长、上海师范大学天体物理研究中心主任李新洲说,这个发现是划时代的,重要性毫不亚于量子力学和广义相对论。

解码宇宙本原

关于宇宙的诞生和演化,存在各种解释。上世纪80年代发展起来的爆炸理论,是目前科学界最主流的看法。但是,任何理论如果得不到实验的验证,始终只能是一个假说。

根据暴涨理论,宇宙诞生之初,是一个无比致密的点。但在一个极短的时间--也就是一亿亿亿亿分之一秒后,宇宙开始剧烈膨胀(如同一场大爆炸),再经过百亿年,逐渐扩张成目前浩瀚的时空。那场大爆炸,其释放的能量之大,直到现在仍在空间中留有“余温”,或者说“余晖”,这就是宇宙微波背景辐射。

不过,由于这种辐射始于大爆炸后的38万年,要了解更早的宇宙,物理学家必须寻找一个新的切入点。很久以来,科学界对此遍寻不着,直到这次,哈佛史密松天体物理中心想到了一个绝妙的工具--引力波。根据广义相对论,宇宙大爆炸会立即形成第一波巨大的引力震荡。美国科学家发现的,就是宇宙诞生后第一时间留下的印记。

英国《自然》杂志的一篇文章,赋予了引力波可见形象:想象在一个柔软的沙滩上,潮水涌上沙滩时,卷起的波浪会带着沙子一同起舞;潮水退下之后,沙子上会留下波浪的痕迹。

史密松中心的实验,就是把宇宙微波背景辐射当做了这片沙滩。他们通过3年多的实验和分析发现,目前的宇宙微波背景辐射,表现出名为“B模式”的偏振形态,就如同一把铁粉投入磁场后,呈现出涡旋状或卷曲状的样子。根据宇宙学理论,除了引力波,其他扰动都无法形成这种漩涡。因此,科学家们观测到的“B模式”,就是大爆炸后原初引力波的独特印记。

这个证据,将宇宙大爆炸从假说确立为事实。由此,它关于星系形成的所有预言,都顺理成章地获得了坚实的基础--大爆炸后的宇宙,就像一团迷雾;随着微弱的波动涟漪被宇宙膨胀不断放大,迷雾状的宇宙开始凝聚,而且越聚来越多,最终形成了星系和万物。

捍卫爱因斯坦声誉

证明宇宙大爆炸理论,绝非这次发现的唯一意义。实际上,这也是人类首次得到引力波存在的证据,它极大地扫除了萦绕在广义相对论头顶的阴云。

在广义相对论看来,引力的本质,是有质量的物体会造成时空弯曲,而且,这种弯曲的特质会像涟漪一样向外传播--也就是引力波。过去几十年来,世界各国的科学家一直尝试制造一种仪器,去探测引力波的涟漪。不过,引力是物理学所有作用力中最微弱的一个,直到这次实验之前,任何人造仪器都未曾捕获过它。甚至有人认为,也许引力波永远无法被试验证实。

尽管在科学预言上,爱因斯坦拥有极佳的声誉--广义相对论的其他一些重要预言,例如光线弯曲、引力红移等,都陆续得到了实验的证实,但引力波实验的缺位,使得某些物理学家怀疑,爱因斯坦是不是也有可能出错?

李新洲告诉记者,引力波观测一直是实验物理学的热门。哈佛牵头的实验,不仅构思独特,设计也异常巧妙。研究团队独辟蹊径地将南极作为观测点,那里没有手机、电视等无线电干扰,是地球上最干燥的地方,而水蒸气会影响射电望远镜对微波背景辐射的观测精度。

衍生出更多未知

哈佛实验让全世界的物理学界为之震惊和兴奋。虽然相关论文尚未经过严格的同行评议,但这丝毫无损这一发现的价值。李新洲说,毫无疑问,这个发现是高度严谨和确实的。实际上,英国《自然》杂志网站甚至打破常规,在第一时间专门为其制作了特辑。

要充分揭示这个实验的价值,也许还需要更多时间。而一些科学家已经开始思考物理学下一步会如何发展。

李新洲说,这个实验同时也启发人们,在微观与宏观之间,的确存在着桥梁和联系。因为最初的宇宙内部呈现量子状态,其运动符合左右微观世界的量子力学;然而,引力却是宏观世界的规律。爱因斯坦一直试图将量子力学与广义相对论统一起来,但直到今天,这个任务仍没有完成。这次观测到大爆炸的引力波,是否有助于一个统一的物理理论的形成呢?

此外,广义相对论虽然能从这个发现中受益,但仍不能完美解释宇宙目前的加速膨胀状态。过去,一些科学家尝试修正广义相对论,提出了一些理论模型。而现在,面对一个更强健的广义相对论,科学界必须思考该怎么办?

科学的发展,永远是从未知到已知,然后再由已知衍生出更多的未知。无论如何,至少今天,科学家们可以骄傲地高喊:“我们获知了宇宙最初的那一刻!”

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