今年三月，一个在南极操作微波望远镜的科学家合作组织宣布了一项震惊科学界的消息。他们声称观测到了一个几乎来自时间开端的信号。这个被认定的信号嵌入在引力波作用后遗留下来的辐射中，这些引力波起源于极早期宇宙——大爆炸后仅仅十亿分之一的十亿分之一的十亿分之一秒。
如果得到证实，这项观测将是近几十年最重要的观测之一。它将使我们能够检验关于宇宙如何形成的观点，而迄今为止，科学家们只能对此进行推测。它将帮助我们将我们关于亚原子（量子）世界的最佳理论与我们关于巨大宇宙的最佳理论——那些基于爱因斯坦广义相对论的理论联系起来。它甚至可能提供令人信服的（尽管是间接的）证据，证明其他宇宙的存在。
自从宣布这一消息以来，其他科学家质疑该信号是否真实。他们的怀疑态度给其他实验正在进行的观测注入了新的紧迫性，这些实验将在明年最有可能明确证实或驳斥这一说法。尽管对于我们是否真的看到了来自婴儿宇宙的灯塔，陪审团尚未做出裁决，但我们不必等待太久才能知道。我们探索宇宙的当前时刻正处于高度期待之中。
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暴胀之路
我们是如何走到这个戏剧性时刻的？这一切始于早期宇宙的两个明显的悖论，而这个灯塔（如果它是一个灯塔的话）可能有助于解决这些悖论。
第一个悖论与宇宙的大尺度几何形状有关。自从宇宙在大爆炸中形成以来的138亿年里，它一直在膨胀。即使经过如此长时期的膨胀，它仍然几乎完全是平坦的。一个平坦的三维宇宙是我们大多数人可能想象我们生活在其中的宇宙——在其中，光平均沿直线传播。
问题是，广义相对论暗示，一个平坦的宇宙远非必然——事实上，这是一个特殊的，或许是不太可能的结果。当物质或辐射是宇宙中能量的主要形式时，就像宇宙历史上的大部分时间一样，一个略微不平坦的宇宙会随着膨胀而迅速偏离平坦宇宙的特征。如果它曾经仅仅偏离一点点，那么今天的宇宙看起来就会是开放的——空间弯曲得像马鞍——或者闭合的——空间弯曲得像球体表面。为了使宇宙今天仍然显得平坦，它早期的特征必须经过极其精细的调整。
第二个悖论与宇宙在所有方向上看起来都相同——它是各向同性的事实有关。这很奇怪。来自浩瀚可观测宇宙一侧的光线直到最近才能够到达另一侧。这个距离意味着宇宙的遥远区域不可能先前相互通信（物理学家说它们没有处于“因果接触”中）。那么，它们是如何演化得如此相似的呢？
1980年，一位名叫艾伦·古思的年轻博士后物理学家在思考这些悖论时，突然想到了一个解决方案：他根据粒子物理学的思想推测，宇宙可能在诞生后不久就迅速膨胀。古思通过思考粒子物理学标准模型的核心部分——自发对称性破缺——得出了这个被称为暴胀的想法，该模型描述了曾经统一的力如何变得分离。
有充分的证据表明，自发对称性破缺已经在宇宙中至少发生过一次。根据电弱理论，宇宙的两种基本力——电磁力（磁力和电力的力）和弱力（负责原子核的放射性衰变）——今天看起来不同，仅仅是因为宇宙历史上的一个偶然事件。曾经，它们是一种单一的、统一的力。
但是，随着宇宙冷却，当它大约只有百万分之一秒的百万分之一秒大时，它经历了一次相变（类似于水从液体转变为冰），这改变了空旷空间的性质。它不是空旷的，而是充满了背景场（类似于电场，但在这种情况下，是一种不易被探测到的场）。这种背景场，被称为希格斯场，在整个宇宙中发展起来。
希格斯场影响粒子在空间中传播的方式。那些与该场相互作用的粒子——例如，传递弱力的粒子——会感受到阻力，这导致它们表现得像有质量的粒子。那些不与该场相互作用的粒子——例如，电磁力的载体光子——仍然是无质量的。结果，弱力和电磁力开始以不同的方式表现，打破了原本统一它们的对称性。这个奇妙的景象在2012年位于日内瓦附近欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）上得到了验证，希格斯玻色子的发现证实了这一点。
古思推断，也许在宇宙的过去更早的时候也发生过类似的对称性破缺事件。在这个事件发生之前，宇宙的四种基本力中的三种——电磁力和弱力，以及强力（负责将质子和中子结合在一起），但不包括引力——可能已经连接在一起。事实上，大量的间接证据表明，这种现象发生在宇宙大约10-36秒大的时候。随着宇宙冷却，它可能经历了一次相变，这也改变了空间的性质，涉及一个背景场，该背景场导致电弱力开始与强力表现出不同的行为——自发地打破了它们的对称性或连接性。
与希格斯场的情况一样，这种对称性破缺场将导致奇异且质量非常大的粒子，但所涉及的质量将远高于希格斯粒子的质量。事实上，人们需要建造一台比LHC强大10万亿倍的加速器才能直接探索这种现象背后的理论。我们称它们为大统一理论或GUT，因为它们将宇宙的三种非引力力统一为一种力。
古思意识到，如果在早期宇宙中发生这种自发对称性破缺，如果至少在短时间内，负责这种对称性破缺的场陷入“亚稳态”，就可以解决标准大爆炸的所有问题。
当环境温度迅速降至冰点以下时，水会进入亚稳态，但街道上的水不会立即结冰；当它最终结冰时——当相变完成时——水会释放能量，称为潜热。
以类似的方式，导致GUT相变的场可能在整个空间短暂地储存了巨大的潜热。在暴胀的短暂时期内，这种能量会产生引力斥力，这可能导致宇宙以指数级的速度膨胀。现在可观测的宇宙的大小可能在不到10–36秒的时间内增加了超过25个数量级。就像吹气球一样，这种极端的膨胀也会使我们今天观测到的宇宙趋于平坦和各向同性，从而自然地解决了宇宙大尺度结构的两个明显的悖论。
尽管暴胀的想法可能令人信服，但是，到目前为止，我们还没有一个关于暴胀究竟如何发生的 фундаментальной 理论，这主要是因为我们不了解与大统一相关的细节，例如力将统一的确切能量水平。虽然最简单的暴胀理论解释了我们今天在宇宙中观测到的许多现象，但不同版本的暴胀可能会产生截然不同的宇宙。
我们真正需要的是一种方法来直接探测宇宙，以寻找它确实经历过暴胀的证据，如果是这样，则探索与之相关的详细物理学。引力波，事实证明，提供了这样一个机会。
引力波特征
当阿尔伯特·爱因斯坦在1915年发表他的广义相对论时，他认识到这暗示了一种令人兴奋的新物理现象的存在。在广义相对论中，引力场只是时空底层全局结构的扭曲。一个随时间变化的能量源——例如，行星绕太阳或一颗恒星绕另一颗恒星运动——会产生一个随时间变化的扭曲，该扭曲将以光速从源头传播出去。当引力波经过时，附近物体之间的距离会发生非常轻微的变化。
由于引力与电磁力相比非常微弱，因此引力波极其难以探测。爱因斯坦怀疑它们是否会被发现。在他首次预测它们近100年后，我们尚未能够直接测量到来自灾难性天体物理现象（如黑洞碰撞）的引力波（尽管研究人员认为他们正接近目标）。然而，幸运的是，宇宙可以为我们提供一个更强大的引力波源：大爆炸后瞬间的波动量子场。
当宇宙非常年轻时，在暴胀时期之前，它被压缩成一个比原子尺寸小得多的体积。在如此微小的尺度上，量子力学的规则占主导地位。然而，由于每个微小空间位点中 packed 的能量量非常高，因此这种巨大的能量要求我们使用相对论来描述它。为了理解早期宇宙的性质，我们需要像古思那样，使用量子场论的思想，量子场论结合了量子力学和狭义相对论——将空间和时间联系在一起的理论。量子场论告诉我们，在非常小的尺度上，所有量子力学场都在剧烈波动。如果在暴胀能量密度主导宇宙膨胀的时期内，所有其他量子场的行为都类似，那么引力场也可能发生了波动。
在暴胀的指数膨胀过程中，任何具有小波长的初始量子涨落都将随着膨胀而被拉伸。如果波长变得足够大，则涨落振荡所需的时间将变得比（极其年轻的）宇宙的年龄还要长。量子涨落基本上将被“冻结”，直到宇宙变得足够老，它才能再次开始振荡。在暴胀期间，冻结的振荡将会增长，这个过程会将这些初始量子振荡放大为经典引力波。
在古思提出暴胀理论的同时，两组俄罗斯物理学家，阿列克谢·A·斯塔罗宾斯基和瓦列里·A·鲁巴科夫及其同事，分别指出暴胀总是会产生这样的引力波背景，并且背景的强度仅仅取决于驱动暴胀的场中储存的能量。换句话说，如果我们能找到来自暴胀的引力波，我们不仅会得到暴胀曾经发生的确凿证据，还会直接看到驱动暴胀的量子过程。
枪的烟迹
然而，只有当一个潜在的明确的暴胀特征是可探测的时，它才是有用的。虽然暴胀的尺度预计接近量子引力摆动可能很大的尺度，但引力本身的微弱性似乎使得实际探测来自暴胀的引力波的可能性充其量也是很困难的。
困难但并非不可能。宇宙微波背景辐射或CMB可能会有所帮助。CMB辐射来自年轻宇宙首次冷却到足以让质子捕获电子形成中性原子的时期，这使得宇宙对光线透明，然后光线可以传播到我们这里。从这个意义上说，它是宇宙中最古老可见的光。如果引力波在CMB产生时的大尺度上存在，当时宇宙为38万年，那么我们或许可以在CMB中看到它的迹象。那时，自由电子将浸泡在辐射浴中，由于大尺度引力波会在一个方向上压缩空间，而在另一个方向上拉伸空间，因此辐射浴在一个方向上比在另一个方向上更强。如果这种效应足够大，它可能会在CMB中产生一个小的扭曲，这可能是可探测的。但是引力波也可能产生另一种更微妙的效应。引力波产生的空间扭曲可能导致电子散射的CMB辐射在一个轴上的振幅比在垂直轴上的振幅更大。换句话说，CMB可以被极化。
测量CMB中的极化本身并不能证明引力波的存在。极化还有许多其他可能的原因——它们可能是由CMB中潜在的温度波动或可能的近景源（如我们星系中极化的尘埃）的发射产生的。然而，人们可以尝试通过探索天空中极化的空间模式，将引力波的可能影响与其他来源区分开来。
特别是，一种扭曲的模式将是引力波的特征。其他极化源倾向于产生没有这种扭曲的模式。两种可能的空间极化模式称为E模式和B模式。B模式，即扭曲的类型，与引力波相关，而E模式倾向于由其他来源产生。
这一洞察力出现在1997年，它激发了CMB界的热情，因为它意味着，即使由原始引力波可能引起的直接温度变化太小，以至于无法在CMB中的其他温度扭曲中直接探测到，对CMB极化的测量也可能识别出小得多的引力波信号。在过去的十年左右，许多地面和天基实验被设计出来，以寻找暴胀的这个可能的圣杯。
由于实验人员已经测量了宇宙微波背景辐射中的温度波动，研究人员以比率的形式呈现他们的结果：引力波极化信号与测量的温度波动信号的大小之比。这个比率在文献中用r表示。
新结果
直到今年，只报告了CMB极化的上限——也就是说，我们知道它们不可能大于这些上限，否则我们就会看到它们。欧洲航天局的普朗克卫星报告说，根据其测量结果，r可能在零到大约0.13的上限之间的任何位置，这意味着没有引力波。因此，当南极的宇宙外背景成像极化2（BICEP2）实验在3月份宣布它已经发现了一个大约为0.2的r值时，物理学界感到震惊——该值大于普朗克卫星指示的上限——这表明引力波的存在。它当时还宣布，由虚假的背景产生的观测信号的可能性不到百万分之一。关于该信号的一切都反映了来自暴胀的预期信号的特征。
唉，截至本文撰写之时，情况仍然不明朗。极化观测非常困难，虽然在统计学上，信号是清晰的，但其他可能的天体物理过程可能会产生可能模仿来自暴胀的引力波信号的效果。
虽然BICEP2团队检查了许多可能的污染物，但最难排除的是我们星系中极化尘埃发射的辐射。BICEP2合作组织研究了他们设想的我们星系中可能的尘埃浓度，并得出结论，这些来源并没有强烈污染其信号。但在随后的几个月中，普朗克卫星报告了新的测量结果，表明银河系可能包含比BICEP2团队假设的更多的尘埃。一些小组试图根据这些新数据重新分析BICEP2信号，并结合来自其他实验的更精细的尘埃背景模型，并得出结论，尘埃有可能重现所有（或大部分）声称的BICEP2极化信号。
尽管这些发展削弱了物理学界许多人对BICEP2结果的兴奋，但BICEP2团队坚持其估计——但它现在承认无法排除尘埃解释。然而，科学家们指出，观测到的频谱形状与暴胀预测非常吻合——比尘埃预测要好一些。
更重要的是，许多新的实验正在上线，这些实验可以阐明尘埃发射，并在不同尺度和不同方向上探索极化信号。按照科学的最佳传统，BICEP2的经验验证或反驳应该可以在本文发表后的一年左右实现。
引力波揭示了什么
如果BICEP2信号得到证实，我们观察宇宙的经验窗口将比人类历史上几乎任何其他时候都扩大更多。引力波与物质的相互作用非常微弱，以至于它们可以基本上不受阻碍地从时间之初传播。BICEP2的发现不仅代表了引力波本身的首次探测——广义相对论的基本预测——这些波还将为我们提供宇宙可能只有10–36秒大时的物理学的直接信号，比CMB光产生时早49个数量级。
如果BICEP2信号确实是来自暴胀的确凿证据，我们将对宇宙有更多了解。首先，推断出的引力波信号强度将意味着暴胀发生在能量尺度上，该能量尺度非常接近自然界中三种非引力力在大统一理论中结合在一起的能量尺度——但这只有在一种称为超对称性的新的自然对称性存在的情况下才成立。反过来，超对称性的存在可能意味着存在大量新的粒子，它们的质量范围可以在LHC在2015年再次启动时探测到。因此，如果BICEP2是正确的，那么2015年可能是粒子物理学的又一个丰收年，它将揭示可能解释基本力性质的新现象。
发现来自暴胀的引力波还有另一个不那么投机的含义。正如我之前描述的那样，当引力场中的原始量子涨落在暴胀期间被放大时，应该会产生这样的波。但如果是这种情况，那么这表明引力必须由量子理论来描述。
这个问题尤为重要，因为到目前为止，我们还没有完善的引力量子理论——也就是说，一种使用支配物质和能量在最小尺度上行为的规则来描述引力的理论。弦理论可能是迄今为止最好的尝试，但没有证据表明它是正确的，或者它可以始终如一地解决完整的引力量子理论必须解决的所有问题。此外，正如新泽西州普林斯顿高等研究院的弗里曼·戴森指出的那样，没有陆地设备能够探测到单独的引力子，即被假定为传递引力的量子粒子，因为任何这样的探测器都需要如此巨大和稠密，以至于它会在完成观测之前坍缩形成黑洞。因此，正如他推测的那样，我们永远无法确定引力毕竟是由量子理论描述的。
然而，如果来自暴胀的引力波确实出现，那么它们似乎可以推翻戴森的论点。但仍然存在一个漏洞。如果我们发现来自暴胀的引力波，它们是经典的（非量子的）物体，我们可以使用量子力学计算这些波的起源。然而，每个经典物理学结果，包括棒球的运动，都可以用量子力学来计算。仅仅看到棒球在飞行并不能证明量子力学是其背后的原因——事实上，即使量子力学不存在，它的运动也是相同的。我们需要证明的是，来自暴胀的引力波的产生，与棒球的运动不同，来源于量子过程。
最近，我的同事麻省理工学院的弗兰克·维尔切克和我弥补了这个剩余的漏洞。使用物理学中最基本的技术，所谓的量纲分析，它根据描述质量、空间和时间的单位来探索物理现象，我们能够从非常普遍的角度证明，如果普朗克常数（控制世界中量子力学效应大小的量）消失，则仅由暴胀引起的引力波背景将消失。因此，如果BICEP2是正确的，并且如果它正在测量来自暴胀的引力波，那么引力必须由量子理论来描述。
对多元宇宙的启示
从理解我们宇宙的起源以及为什么它存在的令人烦恼的问题的角度来看，通过观察引力波来探测暴胀有可能将许多人认为是最宏大的形而上学推测之一变成硬科学。
回想一下，暴胀是由一个在相变期间储存和释放大量能量的场驱动的。事实证明，这个必要的场的特征意味着，一旦这个过程开始，驱动暴胀的场将倾向于无限期地继续膨胀宇宙。暴胀将无休止地进行下去，阻止我们所知的宇宙的创造，因为任何先前存在的物质和辐射都会被膨胀稀释，只留下快速膨胀的空旷空间。
然而，斯坦福大学的物理学家安德烈·林德找到了一种摆脱这个问题的方法。他表明，只要空间中的某个小区域在充分膨胀后完成了相变，这个区域就可以包含我们今天观测到的整个宇宙。在空间的其余部分，暴胀可以永远持续下去，在不同的位置形成小的“种子”，相变可能会在这些位置完成。在每个这样的种子中，一个经历热大爆炸膨胀的孤立宇宙将会出现。
在这样一个“永恒暴胀”的图景中，我们的宇宙是更大的结构的一部分，这个结构可能是无限大的，并且最终可能包含任意数量的断开连接的宇宙，这些宇宙可能已经形成、可能正在形成或将会形成。此外，由于每个种子中结束暴胀的相变发生的方式，支配每个结果宇宙的物理学可能会有所不同。
这种可能性被称为多元宇宙假说，表明我们的宇宙可能是一个可能数不清的单独的、物理上不同的宇宙之一。在这种情况下，我们宇宙中的基本物理常数之所以如此，可能仅仅是偶然。如果它们有任何不同，像我们这样的生物可能无法进化来测量它们。
这个建议，通常被有些自负地标记为人择原理，对许多人来说是令人厌恶的，并且导致了物理学家尚未解决的许多可能的问题。对于许多人来说，多元宇宙和人择原理表明，基础物理学可能显得多么偏离通常被认为是合理的经验科学的轨道。
但是，如果BICEP2（以及LHC和其他实验）使我们能够探测暴胀和大统一现象，我们或许能够唯一地确定支配宇宙在这些能量和时间尺度上的基本物理学。其中一个结果可能是，产生我们观测到的宇宙的暴胀转变需要林德的永恒暴胀。在这种情况下，虽然我们可能永远无法直接观察到其他宇宙，但我们将像20世纪早期的前辈们那样确信它们的存在，即使他们当时也无法直接观察到原子。
BICEP2是否会像早期导致原子量子理论的实验一样，为理解未来的物理学提供革命性的指导？我们尚不知道。但是，非常有可能的是，它，或者可能是随后的CMB极化探测器，可能会打开一扇通往宇宙的新窗口，这将带我们回到时间的开端，并到达可能使20世纪物理学提供的狂野之旅相形见绌的距离和现象。