押注引力波:宇宙学家尼尔·图罗克问答

未能发现原始时空涟漪可能为物理学家的替代理论开辟道路  


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许多物理学家对来自宇宙大爆炸的引力波的明显发现很可能是一个错误的消息感到沮丧。但位于安大略省滑铁卢的 Perimeter 理论物理研究所的一位宇宙学家感到有些欣慰。
 
尼尔·图罗克一直都在押注原始引力波——时空结构中的涟漪——永远不会被观测到。图罗克对普朗克卫星观测宇宙大爆炸光线的新结果显示,今年三月南极 BICEP2 实验对引力波的所谓观测可能受到了我们星系中尘埃雾霾的污染,这一点几乎没有感到惊讶。
 
引力波如果得到证实,将证明婴儿宇宙在大爆炸之后迅速膨胀,这个过程称为暴胀。这个想法很流行,但也有一些直言不讳的反对者,例如图罗克,他帮助构建了暴胀的主要替代理论之一。《大众科学》与图罗克谈论了 BICEP2 的争议,以及他如何与斯蒂芬·霍金就引力波进行打赌。

[以下是经过编辑的对话记录。]
 
普朗克最新的分析表明了什么?
普朗克论文告诉我们,整个 BICEP2 信号可能都是由尘埃引起的。这是个大新闻。区分尘埃和 BICEP2 正在寻找的那种信号的唯一方法是查看多个频率。这是 BICEP2 声称存在的一个根本问题,因为他们只使用了一个频率。目前,普朗克是唯一有能力查看多个频率的实验。他们花了一些时间来完成所有必要的分析。他们的发现是,尘埃的预测贡献超过了 BICEP2 测量的信号。所以这意味着对 BICEP2 结果最简单的解释是他们看到的是尘埃。
 
这对预测引力波的暴胀理论意味着什么?
暴胀理论已经统治宇宙学 30 年了。我一直是指出其问题和局限性的人之一。在我看来,它不是对宇宙大爆炸的令人信服的解释。它的问题之一是它非常可调整。它几乎没有做出你可以实际出去用测量来验证的具体预测。
 
我一直在发展宇宙的循环图景,根据这个图景,宇宙大爆炸只是追溯到过去的无限循环中的最新一次。在循环图景中,未来还会发生大爆炸。我与保罗·斯坦哈特共同发展了这个理论。我们主要这样做是为了向人们展示暴胀之外还有另一种选择,你不必相信官方说法。
 
事实证明,循环模型预测引力波为零。如果观测到引力波,它们将证伪我开发的所有模型。我也很高兴看到它们被证伪。我根本不认为它们是最终答案。我也认为循环模型太复杂了。但这些模型在其他各个方面都与暴胀一样有效。
 
你是如何最终就引力波打赌的?
像斯蒂芬·霍金这样的人认为,最简单的暴胀模型,最合理的模型,会产生足够多的引力波,以至于我们可以探测到它们。我在 2001 年与斯蒂芬打赌,这些引力波不会存在。BICEP2 的结果一出来,斯蒂芬就告诉 BBC 他和我打赌赢了。我的回应是,科学需要验证。我们从不相信一个实验的结果,它需要被检查。我可以看到 BICEP2 实验存在一些问题。
 
斯蒂芬给我写了一封电子邮件,说,不要做个输不起的人。他在希格斯玻色子上输了 100 美元,在它被发现时不得不付钱。他说,你现在应该付我 200 美元,因为这更重要。我说,我不打算付钱,因为我非常怀疑。我说,“我敢打赌引力波的真实信号不到 BICEP2 声称的四分之一。” 如果结果证明即使是 BICEP2 声称的一半,我也会付钱。
 
你认为你会赢吗?
我离赢得我的赌注还有一半的路程。早期的普朗克测量表明,引力波的水平低于 BICEP2 声称的一半。普朗克的最新测量基本上使这一点非常可靠。我们只需要再下降一个因子 2,我就能赢得与斯蒂芬的赌注。我希望这会在 11 月发生,因为 BICEP2 和普朗克正在合作。BICEP2 仍然希望当他们与普朗克结合时,他们会一起奇迹般地探测到引力波的证据。这可能会发生,他们可能会幸运,但在我看来,那是一厢情愿。
 
所有这些关于 BICEP2 的来回讨论是否损害了这个领域,或者这仅仅是科学的运作方式?
两者都有。我认为很多人会在此时停下来,承认对结果的炒作太多了,提出的声明也太多了,相反,我们需要更加谨慎和科学,真正让证据来解决问题。
 
我认为 [BICEP2 研究人员] 应该说我们发现了一个非常有趣的信号,未来的实验将显示它代表什么。它可能是尘埃,也可能是其他东西。实际上,我建议他们那样说。我在新闻发布会之前给他们打了电话,因为我听到了一些传言,并建议他们要谨慎。不幸的是,他们没有听从我的建议,他们现在可能希望他们听了。
 
无论如何,这在科学中是很正常的。宇宙会纠正我们。令人难以置信的是,我们能够进行这些测量,并且它们正在告诉我们一些像宇宙大爆炸发生的事情一样深刻的东西。这在不久之前会被称为哲学。现在它是真正的科学。
 
如果没有原始引力波,那意味着什么?
 
发现你对宇宙大爆炸的整个图景被尘埃遮蔽是一个很大的负面消息。但到目前为止,我们对宇宙的观测都指向这个奇妙的简单图景,而且它比我们大多数理论都简单。我们的理论变得越来越晦涩和复杂,而宇宙正在告诉我们它就像它能达到的那样简单。我发现这很棒。这意味着我们的理论令人怀疑,但这是第一次出现真正的线索。
 

Clara Moskowitz is a senior editor at 大众科学, where she covers astronomy, space, physics and mathematics. She has been at 大众科学 for a decade; previously she worked at Space.com. Moskowitz has reported live from rocket launches, space shuttle liftoffs and landings, suborbital spaceflight training, mountaintop observatories, and more. She has a bachelor's degree in astronomy and physics from Wesleyan University and a graduate degree in science communication from the University of California, Santa Cruz.

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