圖片說明:美國科學家本月17日宣布，他們發現了宇宙誕生之初急劇膨脹的首個直接證據。
科學發現史上又一個重要里程碑—— 獲取宇宙最初一刻的吉光片羽
宇宙學是一門奇特的學問：課題是獨特的，對象是獨特的，方法是獨特的，甚至它的研究者也是獨特的。美國BICEP2研究團隊就是由這樣一批獨特的宇宙學家組成。他們發現了宇宙誕生之后一億億億億分之一秒遺留下來的“吉光片羽”。他們探測到了大爆炸之后穿過宇宙的引力波。這是一個石破天驚的發現，對了解宇宙如何誕生具有里程碑式的意義，如果得到確認，他們將有望獲得下一個諾貝爾物理學獎。
解構大爆炸
在137億年前大爆炸發生的那個時刻，我們所居住的宇宙被壓縮到一個難以想象的小尺度上，相伴隨的是極高的溫度和極大的密度。當宇宙年齡在38萬年時，宇宙膨脹得足以讓輻射冷卻下來，不再與帶電粒子相互作用，空間變得透明了，輻射將自由地穿過空間飛向我們。
微波背景輻射表明，那時的宇宙同樣是以百萬分之一的精度呈現出各向同性的。只是后來，當宇宙的年齡為數十億年時，物質居然不均勻地聚集起來，形成了星系和星系團。因此，宇宙學家采用了簡單假設：宇宙是均勻與各向同性的，而在總體的均勻與各向同性中含有微小的隨機不規則性。盡管非均勻性很小，卻至關重要。由于宇宙學形式的馬太效應，那些含物質高于均值的稠密區域通過吸收稀疏區域的物質，隨著時間推移，高于均值區域演化成星系團、星系、恒星和人。
標準大爆炸理論只是說在宇宙之初有一場爆炸，而沒有告訴我們到底是什么爆炸，如何爆炸，更沒有說為何爆炸。日常知識告訴我們，引力是一種吸引力，它使萬物彼此靠近，怎能引發爆炸呢？所以，原初時刻一定存在著某種強大的排斥力。這個困擾人們的問題，直到1980年代初才得到解答。答案居然十分簡單，愛因斯坦關于宇宙學常數的老想法以暴漲宇宙的新形式得以復興。廣義相對論告訴我們，在某些情形下萬有引力可以是排斥性的。所以牛頓取的萬有引力這個名稱，從此就改稱為引力了。
暴漲宇宙學可以作為標準大爆炸宇宙學的更早期，它對宇宙原初時刻的解釋與標準大爆炸宇宙學的解釋有天壤之別。暴漲宇宙學不僅彌補了標準大爆炸宇宙學中的許多漏洞，諸如解決了視界疑難、平坦性疑難與拓撲缺陷過豐等問題，并且給出了一系列預言。隨著BICEP2團隊的工作以及先前的種種實驗驗證，所有這些預言都得到了確認。
除此之外，暴漲宇宙學還幫助我們理解了早期宇宙是如何獲得了它那極低的熵，這使得我們比以往任何時刻都更接近時間之箭的解釋。暴漲宇宙學還在量子力學與廣義相對論之間建立了橋梁。
取得直接證據
用衛星對宇宙年齡38萬年時留下的微波背景輻射溫度所做的觀測，已為宇宙學提供了奇跡般的證據。現在我們知道空間中某處的溫度可能是2.72544開，另外的地方可能是2.72550開，還有的地方可能是2.72556開。
另一方面，量子力學的海森伯原理告訴我們，在任何量子系統中總存在著一個隨機漲落。在暴漲宇宙學的框架中，這意味著量子場將展現出這種漲落。這就是衛星所觀測到的輻射溫度的隨機分布數據的本源。由于諸如光子那樣的矢量場所具有的對稱性，它們產生的漲落并未對微波背景溫度提供實質性的貢獻。所以真正要關注的兩類量子漲落是暴漲子場和引力場的漲落。暴漲子場是駕馭宇宙暴漲的場，它為最終轉換成物質和輻射作了主要貢獻。換句話說，暴漲子場漲落對早期等離子密度漲落作了主要貢獻。由于暴漲子場是標量場，它所產生的漲落，有時也稱作為標量漲落。這在衛星探測器實驗中已經被證實。
引力場當然也有量子漲落，這些漲落產生了引力波。引力場是一種張量場，所以引力場的漲落有時也稱作張量漲落。在原則上，我們能探測引力波，這是因為在物體較遠處引力波會拉伸物體，當引力波通過物體時會擠壓它。這好比在海灘上，潮水沖上沙灘時海波會卷起沙子，而當海潮退下后沙灘會留下波浪的痕跡。宇宙空間中當然沒有沙子，只有微波背景輻射。無處不在的輻射是否會留下引力波的痕跡呢?答案很簡單，引力波會給背景輻射留下痕跡！
為了闡明這個痕跡，我們不得不說一下極化這個概念。任何類型的電磁輻射都有極化，微波背景輻射也不例外。電磁波是傳播電場和磁場振蕩的漣漪，可以指定電場上下振蕩方向來定義極化方向。當我們觀測多個光子形成的輻射時，每個光子的極化方向是隨機的，給出的疊加凈效應幾乎接近于零。在我們使用白熾燈時，就是這種情形，宇宙背景輻射也幾乎是這樣。不過，科學家們通過仔細分析能測量出微波背景輻射中的極化殘余。
但是，暴漲子場漲落與引力子場漲落都能造成背景輻射的極化。這正是成也蕭何，敗也蕭何！成敗皆極化，不過此極化不是彼極化。通過仔細分析，極化存在著兩種形態：E模極化和B模極化。暴漲子漲落只造成背景輻射的E模極化，而引力波既會造成E模極化，也會造成B模極化。
用通俗的話來說，B模會產生一個渦旋狀的極化形態而E模不會。利用這個性質，BICEP2團隊觀測到了B模極化形態，并指出這是大爆炸后原初引力波的獨特印記。他們還定量地指出張量與標量貢獻之比為0.2。
給我們的啟迪
大爆炸引力波為人類帶來新認知，BICEP2團隊公布這個偉大發現已經一個多星期了，但是余音繞梁，人們激動之情仍未平復，這個發現給我們帶來了眾多的啟迪。
盡管實驗物理學家確證了原初引力波的存在，但是理論家居功至偉。最高的榮譽仍歸于愛因斯坦，他的廣義相對論是進行這些研究的基本工具，告訴我們在引力的影響下，宇宙將如何隨時間演化。愛因斯坦建議的宇宙學常數，給出了排斥性引力的最簡示例。更為重要的是，愛因斯坦預言了引力波存在，找尋引力波成了一代又一代科學家追尋的目標。古斯是暴漲思想的始作俑者，隨后林德和史坦哈德特為完備暴漲宇宙理論也作出了重要貢獻。
科學進步的總趨勢是不可抗拒的，正如一江春水總是向東流，而水面上樹葉的運動路徑卻百轉千回。BICEP2團隊的發現給我們的另一個啟迪是，不同知識島之間的“滲流”是十分重要的。粒子物理和廣義相對論的觀念系統相差甚遠，但是一旦將粒子物理中的希格斯場的觀念融入到宇宙學中，就會產生重大的創新。這使我們相信萬物在更深層次上的相關性。
將望遠鏡指向月球就會發現月球表面坑凹的伽利略時代早就過去了。當代科學的進步，必定需要理論的指引。沒有理論指引下的實驗驗證，猶如瞎子摸象。如果盲人摸到了象鼻子，倒還得到了大象的部分特征，可怕的是盲人騎瞎馬摸到的僅僅是大象背上的土。對理論物理學家的任何漠視，最終會釀成一壇發酸的苦酒。
科學的進步，創新思想是關鍵。科學的成功常常在于B模這樣的另辟蹊徑、別出心裁。低水平的重復與簡單的線性放大長期困擾著我國科學界。發現歐姆定律是偉大的，重復驗證歐姆定律是初中生的玩意兒。
為什么BICEP2團隊找到了原初引力波，而普朗克探測器沒有發現？后者的經費投入遠高于前者，這說明重大發現并不與科研投入成正比。諾貝爾獎并不能像培養體育明星那樣選苗，行政行為無法設定誰將取得劃時代的成果。科學家之所以投入研究，絕對不是為了取得金錢。重賞之下，并不出智夫。如果將科研人員的收入差異盲目擴大，必將破壞團隊的和諧，帶來嚴重的后果。
BICEP2團隊的論文由47位作者署名，而團隊的負責人科瓦奇位列第27位，但是某報想當然地依照我國的思維慣例稱科瓦奇為第一作者。我國科研團隊為了文章署名，常常鬧得不亦樂乎，甚至導致同事反目，團隊散伙。這種莫名其妙的行政規定給科研造成的損失還少嗎？
科學的進步，是從未知到達已知，未知之樹上仍然掛滿了金蘋果，只有對未知世界充滿好奇的人才會得到它。
熱點新聞
徐匯校區:上海市徐匯區桂林路100號