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研究人员今天宣布，物理学家们在来自大爆炸的光中发现了一种长期预测的扭曲，这代表着宇宙涟漪（称为引力波）的首张图像。这一发现直接证明了暴胀理论，即宇宙在诞生后的最初纳秒内以极快的速度膨胀。专家表示，更重要的是，信号比预期的要强烈得多，排除了一大类暴胀模型，并可能为新的物理学理论指明方向。
约翰·霍普金斯大学物理学和天文学教授马克·卡米翁科夫斯基说：“这太棒了。”他没有参与这项发现，但在1997年就预测了如何找到这些引力波印记。“你不是每天醒来都能发现关于早期宇宙的全新事物。对我来说，这绝对值得获得诺贝尔奖。”
南极的宇宙超背景星系外偏振成像 2 (BICEP2) 实验在宇宙微波背景 (CMB) 中，即大爆炸后不久遗留下来的光中，发现了一种称为原始 B 模式偏振的模式。这种模式，基本上是光偏振或方向的卷曲，只能由暴胀产生的引力波产生。“它看起来像是天空中的漩涡图案，”斯坦福大学物理学家、BICEP2 探测器的设计师郭兆林说。“我们发现了暴胀的铁证，并且我们也制作了首张跨越天空的引力波图像。”
物理学家表示，如此具有突破性的发现需要其他实验的证实才能真正令人信服。尽管如此，该结果还是赢得了该领域许多领导者的赞扬。“有可能它是错误的，但我认为结果极有可能站得住脚，”麻省理工学院的艾伦·古斯说，他于 1980 年首次预测了暴胀。“我认为他们在分析方面做得非常出色。” BICEP2 探测器发现了惊人强烈的 B 模式偏振信号，为他们提供了足够的数据来超过真正发现的“5-sigma”统计显着性阈值。事实上，研究人员非常惊讶地在数据中看到了如此耀眼的信号，以至于他们推迟了一年多才发布它，寻找他们发现的模式的所有可能的替代解释。最后，当 BICEP2 在同一地点的继任者 Keck 阵列上线并开始显示相同的结果时，科学家们感到确信。“这在让我们相信这是真实的东西方面发挥了主要作用，”郭说。
宇宙微波背景是弥漫整个天空的微弱光芒，可以追溯到大爆炸后仅 38 万年。在那之前，婴儿宇宙太热太稠密，光无法在不碰撞物质的情况下传播很远。当它冷却到可以形成中性原子的程度时，光被释放出来，可以不受阻碍地穿过太空，并成为 CMB。这种光芒是 1964 年由阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊意外发现的，他们最初误认为是鸽子粪便落在天线上造成的干扰。最终，科学家们意识到他们发现了来自原始宇宙的印记，这一发现为他们赢得了 1978 年的诺贝尔物理学奖。“CMB 中出现的东西真是太神奇了，”威尔逊说。“最初我没有意识到可能会从中获得多少信息。从我的角度来看，这是一次奇妙的旅程。”
BICEP2 使用约 250 个缩略图大小的偏振探测器来寻找通过其位于南极站的望远镜，在两个垂直方向上来自一小块天空的 CMB 光的差异。该仪器在 2010 年 1 月至 2012 年 12 月期间在阿蒙森-斯科特南极站收集数据，那里的寒冷干燥的空气提供了特别稳定的观测条件。另一项在那里的实验，南极望远镜，报告去年发现了 B 模式偏振，尽管它看到的信号在天空中的不同角度尺度上，并且显然是由于已知的大星系对 CMB 的引力透镜效应（由巨大物体引起的光线弯曲）过程造成的，而不是此处看到的原始引力波。
BICEP2 在搜索 CMB 中的 B 模式偏振方面有很多竞争对手：其他项目包括普林斯顿大学领导的阿塔卡玛 B 模式搜索 (ABS)；加州大学伯克利分校领导的 POLARBEAR 实验；明尼苏达大学运行的高空氦气球 E 和 B 实验 (EBEX)；约翰·霍普金斯大学领导的宇宙学大角度尺度巡天 (CLASS)；以及其他许多项目。鉴于 BICEP2 团队看到了如此清晰的信号，如果结果是真实的，这些搜索应该很容易证实这些结果。“现在这只是冰山一角，”卡米翁科夫斯基说。“在未来几年，我们将能够从这些测量中提取大量信息。这是一件好事，不仅对于发现它的人，而且对于那些被他们抢先的人来说也是如此”，因为不同的实验应该收集互补的数据。
BICEP2 研究人员报告了一个令人惊讶的大的 r 值，即 CMB 中引力波涨落与物质密度扰动引起的涨落之比。根据威尔金森微波各向异性探测器 (WMAP) 和普朗克卫星的全天 CMB 地图，该值之前估计小于 0.11。然而，BICEP2 的值约为 0.20。“一切都取决于这个小小的 r，”古斯说，“并且这个测量结果改变了很多。事实上，上周看起来被排除在外的模型现在是本周受到青睐的模型。” 例如，如此高的 r 值表明，暴胀开始的时间甚至比某些模型预测的还要早，在大爆炸后万亿分之一万亿分之一秒。
反过来，暴胀的时间告诉物理学家宇宙在暴胀发生时的能量尺度。BICEP2 的 r 值表明，这与除引力（电磁力、强力和弱力）之外的所有自然力都可能统一为单一力（称为大统一理论）的能量尺度相同。这一发现支持了大统一的思想，并排除了许多不具备这种能量尺度的暴胀模型。“这真的大大缩小了合理的暴胀模型的空间，”卡米翁科夫斯基说。“与其在干草堆里找针，我们不如在沙桶里找针。” 大统一理论暗示存在类似于 2012 年发现的与希格斯玻色子粒子相关的希格斯场的新场。反过来，这些新场将表明也存在其他更重的希格斯玻色子粒子，尽管它们的质量如此之高，以至于不可能在任何传统的粒子加速器中产生。“这种测量使我们能够将早期宇宙用作新能源范围物理学的实验室，而这些能量范围是我们原本无法企及的，”卡米翁科夫斯基说。