3月17日,普林斯顿大学的物理学家保罗·斯坦哈特放弃了他倡导了十多年的理论。被称为“火劫宇宙”模型,它是对主流暴胀理论的替代,该理论认为宇宙在宇宙大爆炸最初一瞬间的极短时间内以超过光速的速度膨胀。如果暴胀理论是正确的,那么这个过程应该释放出一阵引力波;而在斯坦哈特的模型中,它们不应该存在。在三月的那一天,一个观测团队在哈佛-史密森天体物理中心举行的重大新闻发布会上宣布,他们确实探测到了引力波,从而首次清晰地看到了宇宙的早期时刻。这一宣布引起了巨大的轰动。“空间涟漪揭示大爆炸的有力证据”,《纽约时报》头版高呼。“发现证实大爆炸理论”,《华尔街日报》宣称。数十个类似的标题出现在看似任何地方。斯坦哈特立即宣布他的理论死亡。
但现在他不太确定了。“情况,”斯坦哈特说,“已经改变了。” 从位于南极的BICEP2微波望远镜的结果发布的那一刻起,许多宇宙学家就感觉这项发现建立在不牢固的基础之上。“我认为可以公平地说,”同样在普林斯顿大学的物理学家威廉·琼斯认为,“这些声称给很多人,包括我自己,留下了印象,认为它们远远超出了数据所能支持的范围。” 约翰·霍普金斯大学的物理学家和天文学家查尔斯·班 Bennett,他领导了威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)卫星的研究,对此表示赞同。“他们论文中的几张图看起来对我来说很奇怪,”他说。
在随后的两个月里,疑虑只会越来越强烈,因为物理学家们试图,但未能重现BICEP2团队的计算——诚然,没有原始数据(该团队尚未提供),也没有“系统学”论文(阐述可能的误差来源),该团队已承诺但尚未完成。描述结果本身的论文尚未在同行评审期刊上发表,尽管该过程正在进行中。
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与此同时,天文界日益增长的疑虑首先在私下和通过电子邮件提出,然后在巴黎法国国家科学研究中心的物理学家亚当·法尔科夫斯基的博客文章中提出,最近又在《华盛顿邮报》》,《新科学家》,《科学新闻》和其他媒体的文章中提出。
如果对原始引力波的探测不是如此重要的事情,就不会有人如此大惊小怪。但是BICEP2的结果对于验证暴胀理论至关重要,暴胀理论是现代宇宙学的基石。该理论最早在1980年代初期提出,旨在解决许多宇宙学难题。其中之一是,宇宙在所有方向上看起来都相同,即使可见宇宙的对立两侧在正常情况下,即使在最初,也永远不可能相互接触。另一个难题是,宇宙看起来是平坦的——即使两条平行线穿过整个宇宙也不会相交。暴胀理论解释了所有这些难题,它假设在宇宙诞生后不到十亿分之一秒的极短时间内发生了一次超快的膨胀。
起初,暴胀理论纯粹是理论性的(尽管加州大学圣克鲁兹分校的物理学家乔尔·R·普里马克从一开始就说“没有像这个理论一样美丽的理论曾经是错误的”)。许多测量结果——尤其是来自大爆炸遗留下来的宇宙微波背景(CMB)辐射的温度差异图——加强了该理论,但是探测到暴胀引发的引力波将是对其特别有力的验证。
这正是BICEP2显然看到的——不是波本身,而是它们在CMB上的印记。来自暴胀的引力波会微妙地扭曲微波光,产生一种称为“B模式偏振”的效应。但是,该信号也可能是由微波从银河系中的尘埃反弹或由银河磁场引起的。根据批评者的说法,BICEP2团队并没有令人信服地 disentangle 所有这些效应。高级研究所的物理学家拉斐尔·弗劳格独立重新分析了BICEP2数据,他说,很明显他们看到了某些东西。“但是很难评估,”他说,“信号中有多少是由于前景造成的,有多少——或者实际上是否任何一部分——来自暴胀。”
最强烈的批评之一与可能的灰尘污染有关。BICEP2只能在一个波长的微波辐射中观察天空,这使得研究人员更难排除这种混淆来源。因此,该团队依靠欧洲航天局普朗克卫星的尘埃浓度图,该卫星也在绘制CMB图。但是,普朗克数据尚未发布:BICEP2团队从会议上闪现的幻灯片的pdf文件中提取了信息。该幻灯片反映了可能纳入未来科学论文的观测结果,但是该信息与可以插入正式分析的原始数据非常不同。它也不同于普朗克团队最终可能发布的最终尘埃浓度图。“这是我们唯一可以使用的东西,”BICEP2首席研究员、哈佛大学的约翰·科瓦奇辩解道。但是普林斯顿大学的大卫·斯佩格尔,他领导了WMAP卫星数据的分析,称该策略“很奇怪。这是一件不寻常且冒险的事情,因为该幻灯片并非为此目的而设计的。”
斯佩格尔还说,BICEP2团队显然未能将来自遥远尘埃星系的宇宙红外背景辐射的污染考虑在内。“当你这样做时,”斯佩格尔说,“可能足以解释他们看到的所有信号。我们在公告发布后一周内就向他们指出了这一点。他们说他们会调查的。” 他说,此后他再也没有听到任何消息。他计划在一周内提交一篇基于弗劳格分析的论文。“我们将争辩说他们犯了一个错误。”
但是科瓦奇拒绝了这种说法。“我们报告的结果是在非常仔细的分析之后得出的。我们描述了[使用普朗克幻灯片固有的]不确定性,重要的是要记住,这只是我们用来表征尘埃贡献的六个模型之一。我们当然坚持我们的结果。”
重要的是要强调,没有人说望远镜或科学团队不是一流的,甚至结果不一定是错误的。但是,人们普遍认为结果被夸大了。“我只是认为他们很兴奋,过度解读了他们的数据,”斯佩格尔说。就班 Bennett 而言,他说,“我不会为此举行大型新闻发布会。”
无论如何,这场争议不会持续太久。到初秋,普朗克团队将发布他们自己关于尘埃偏振的结果,并且至少还有10个其他小组正在使用地面和气球载仪器进行偏振实验。“如果信号存在,”斯佩格尔说,“我们将在两三年内确切地知道。”
至于关于BICEP2分析的可靠性到底有多高的激烈争论,争论双方的人都同意,这就是科学的运作方式——尽管通常以不那么公开的方式进行。“这,”斯佩格尔说,“就是香肠是如何制作出来的。”
*编者注(2014年6月6日):本文在发布后进行了编辑。它最初使用了术语“重力波”而不是“引力波”。