暴脹是什么意思（現(xiàn)代宇宙學(xué)的核心）

暴脹是現(xiàn)代宇宙學(xué)的核心。那么，為什么到現(xiàn)在天文學(xué)家還沒有看到它的任何跡象呢？

阿蘭古斯（Alan Guth）和安德烈林德（Andrei Linde）在美國(guó)麻省理工學(xué)院的報(bào)告廳中舉杯歡慶科學(xué)的力量。作為暴脹理論的奠基人，他們?cè)��?jīng)提出的瘋狂理論，現(xiàn)在有了物理證據(jù)，諾貝爾獎(jiǎng)似乎也會(huì)接踵而至。2014年3月18日的《紐約時(shí)報(bào)》頭版報(bào)道《空間漣漪為宇宙大爆炸提供強(qiáng)有力證據(jù)》。美國(guó)哈佛大學(xué)、斯坦福大學(xué)和世界各地的其他大學(xué)也競(jìng)相宣布他們的科學(xué)家也參與其中。

在南極，有一架望遠(yuǎn)鏡在宇宙最早的輻射——宇宙微波背景——中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)明顯的扭曲特征。被稱為B模偏振，它被視為是證明在緊接著宇宙大爆炸之后發(fā)生過暴脹的決定性證據(jù)。這架望遠(yuǎn)鏡被稱為宇宙河外偏振背景成像（BICEP）/凱克陣列。

在該發(fā)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)的公告中，團(tuán)隊(duì)成員美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的克萊姆普賴克（Clem Pryke）說：“這就像大海撈針，而我們卻發(fā)現(xiàn)了一根撬棍。”

幾十年來，暴脹一直是一個(gè)被廣泛接受的、但仍未被證實(shí)的理論。它認(rèn)為在宇宙誕生之后僅一萬億億億億分一秒，我們的宇宙從亞原子的尺度膨脹到了一個(gè)柚子的大小。

麻省理工學(xué)院著名的數(shù)學(xué)家和宇宙學(xué)家馬克斯泰格馬克（Max Tegmark）那天也在報(bào)告廳，他將這個(gè)比喻成母親懷著的嬰兒。“每一天你的大小都會(huì)翻倍，如果你在9個(gè)月的時(shí)間里一直維持這樣的狀態(tài)，那你媽媽肯定就夠受的了，”他說，“對(duì)于宇宙也是一樣。”

暴脹理論中不可思議的超光速膨脹才是真正的“爆炸”。（泰格馬克更喜歡把大爆炸本身看作是規(guī)模更小的“爆炸”。）暴脹為接下去138億多年的宇宙演化提供了可能，從夸克到原子、恒星和行星——甚至生命。

舉杯相慶的宇宙學(xué)家古斯和林德正是率先提出存在這一暴脹時(shí)期的科學(xué)家。1979年，它脫胎于優(yōu)美的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)時(shí)古斯提出該模型是為了解釋奇異的磁單極粒子的缺失，它們本應(yīng)在大爆炸中被創(chuàng)造出來。古斯發(fā)現(xiàn)，我們的宇宙并非是缺少單極子，它們只是被暴脹的高速膨脹稀釋了。

但暴脹能做的遠(yuǎn)不止于此。正如古斯所喜歡指出的，宇宙大爆炸其實(shí)根本就不是一個(gè)真正的有關(guān)爆炸的理論。它所描述的是爆炸的后果，不涉及導(dǎo)致大爆炸的物理機(jī)制，也無法回答是什么以及為什么發(fā)生了爆炸。

古斯花了半年的時(shí)間來研究這個(gè)問題，直到在一個(gè)漫長(zhǎng)的夜晚，他構(gòu)想出了一種“壯觀的實(shí)現(xiàn)”。

古斯的理論在描述這個(gè)爆炸上非常特別。它認(rèn)為，在一開始的時(shí)候時(shí)空具有負(fù)壓強(qiáng)，表現(xiàn)為可以對(duì)抗引力的斥力。在短暫的瞬間，這個(gè)斥力發(fā)威，驅(qū)動(dòng)空間在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生指數(shù)式的膨脹，其膨脹速度甚至可以超過光速。

然而，光有古斯的暴脹還不夠。它并不能使得宇宙繼續(xù)膨脹成我們現(xiàn)在所看到的樣子。他的暴脹模型會(huì)把宇宙變成一個(gè)由碰撞和融合的泡泡所組成的無窮混合體。暴脹需要林德的幫助。古斯的模型包括了所有的宇宙，但1981年林德計(jì)算發(fā)現(xiàn)在任何一個(gè)地點(diǎn)都會(huì)發(fā)生膨脹。他的暴脹理論被稱為混沌暴脹，把我們的宇宙變成無窮的多重宇宙中的一個(gè)。

35年來，暴脹已占據(jù)了宇宙學(xué)的核心位置，因?yàn)樗�可以解釋一個(gè)又一個(gè)的有趣問題。相比其他任何的理論，暴脹能更好的解釋為什么空間是平直的以及宇宙中相距遙遠(yuǎn)的地方是如何相聯(lián)的。根據(jù)暴脹理論，計(jì)算機(jī)模擬可以重建出宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)。

總之，沒有暴脹理論將會(huì)是物理學(xué)的一大損失。沒有暴脹，標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)標(biāo)型就沒有了它的起點(diǎn)。

但是，該怎么去檢驗(yàn)如此大膽的一個(gè)理論？理論家預(yù)測(cè)，其指數(shù)式的膨脹會(huì)以引力波的形式留下明顯的印記，而這些引力波會(huì)扭曲光線，在宇宙微波背景輻射中產(chǎn)生B模偏振信號(hào)。

然而，盡管古斯和林德在慶祝BICEP的結(jié)果，但對(duì)這一B模發(fā)現(xiàn)的質(zhì)疑也開始在學(xué)術(shù)界悄然發(fā)酵。一些理論家指出，觀測(cè)到的偏振信號(hào)比預(yù)期的強(qiáng)太多。其他人則質(zhì)疑該團(tuán)隊(duì)在沒有經(jīng)過同行評(píng)議就先召開新聞發(fā)布會(huì)宣布結(jié)果的做法。

“很快，質(zhì)疑都集中到了BICEP團(tuán)隊(duì)分辨宇宙微波背景和塵埃的能力上，”美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的天文學(xué)家馬丁懷特（Martin White）說，他也是參與歐洲空間局普朗克任務(wù)的科學(xué)家。這一懷疑被證明是有理有據(jù)的。普朗克探測(cè)器測(cè)量了天空中較BICEP所觀測(cè)的更大得多的區(qū)域，但分辨率較低。它的最終結(jié)果顯示，BICEP所探測(cè)到的大部分信號(hào)都受到了來自我們銀河系中前景塵埃的干擾。不幸的是，這些干擾信號(hào)幾乎遍布整個(gè)天空。

現(xiàn)在，距離國(guó)際媒體頭條新聞宣布這些引力波的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)過去了2年，科學(xué)家也已經(jīng)確信BICEP看到的是塵埃——并非暴脹。但是，就這些信號(hào)中還有什么目前仍不確定。來自時(shí)間之初的B模信號(hào)是不是有可能隱藏在其中呢？

一場(chǎng)尋找暴脹首個(gè)證據(jù)的競(jìng)賽正在不斷升溫。眼下至少有8臺(tái)儀器正在搜尋大爆炸的這些細(xì)語。為了要找到它們，宇宙學(xué)家們首先要破除掉一切的干擾。

BICEP并不是第一個(gè)因宇宙微波背景的信號(hào)而感到沮喪的團(tuán)隊(duì)。1964年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家阿諾彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特威爾遜（Robert Wilson）在使用位于新澤西的高靈敏度喇叭天線做射電天文學(xué)研究時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)在天空中有一個(gè)揮之不去的微小噪聲。

兩人最終排除了它來自地球、太陽甚至是我們自己的銀河系。這個(gè)噪聲來自四面八方。

他們不知道的是，就在距離他們不遠(yuǎn)的普林斯頓，以羅伯特迪克（Robert Dicke）為首的一組天體物理學(xué)家正在準(zhǔn)備去搜尋彭齊亞斯和威爾遜所發(fā)現(xiàn)的這一信號(hào)。雖然自從維斯托斯里弗（Vesto Slipher）和埃德溫哈勃（Edwin Hubble）的觀測(cè)證明宇宙在膨脹已經(jīng)過去了幾十年，但有關(guān)宇宙大爆炸的辯論卻仍在激烈進(jìn)行中。只要把宇宙膨脹反過來推演，天文學(xué)家就會(huì)發(fā)現(xiàn)到整個(gè)宇宙都融合于一點(diǎn)。

如此前其他人所做的，迪克的小組認(rèn)為，當(dāng)大爆炸開啟這一膨脹時(shí)，它必定會(huì)把微波輻射播撒遍整個(gè)宇宙。令人難以置信的是，他們所預(yù)言的輻射與喇叭天線所探測(cè)到神秘信號(hào)非常吻合。兩個(gè)小組同時(shí)發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。彭齊亞斯和威爾遜偶然發(fā)現(xiàn)的信號(hào)為他們摘得了1978年的諾貝爾獎(jiǎng)。而現(xiàn)在，宇宙微波背景輻射也成為了大爆炸宇宙學(xué)的堅(jiān)強(qiáng)支柱。

從那以后幾十年來，我們已經(jīng)很清楚地知道宇宙微波背景輻射充滿了整個(gè)宇宙，存在于所有的方向上，它們的亮度也大致相同。

宇宙微波背景中的光子是宇宙在大爆炸之后38萬年變得透明時(shí)所留下的遺跡，當(dāng)時(shí)的宇宙已經(jīng)冷卻到約3 000開。在這之前，宇宙是一鍋過于濃稠的粒子湯，自由電子和質(zhì)子無法結(jié)合形成宇宙中最主要的成分——氫。

宇宙學(xué)家稱之為復(fù)合時(shí)期，它使得光子可以自由地在太空中穿行。因此，天文學(xué)家看到的每個(gè)宇宙微波背景光子都來自于近138億年前它們和電子發(fā)生最后一次散射的地方。美國(guó)宇航局戈達(dá)德空間飛行中心的宇宙學(xué)家、2006年諾貝爾獎(jiǎng)得主約翰馬瑟（John Mather）說：“宇宙微波背景亮度的分布圖所顯示的是從每一個(gè)方向于現(xiàn)在抵達(dá)我們的輻射。如果你再等上10億年，仍然會(huì)有輻射從各個(gè)方向源源不斷地到來。”

這種平滑度也被認(rèn)為是暴脹的產(chǎn)物。在宇宙誕生后0.0000000000001秒，暴脹的快速膨脹已經(jīng)抹平了充滿宇宙的高溫電離氣體中任何的團(tuán)塊。

但微小的量子漲落——變化幅度在十萬分之一的水平上——會(huì)引入新的密度起伏。引力會(huì)把越來越多的物質(zhì)吸引到稠密的區(qū)域中。它們是將來形成星系和星系團(tuán)的“種子”，也在宇宙微波背景中留下了斑斑點(diǎn)點(diǎn)。

自彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景起，天文學(xué)家就已經(jīng)知道，當(dāng)其中的光子穿行于宇宙中時(shí)，位于其進(jìn)行路線上的物質(zhì)，例如宇宙歷史早期的大尺度結(jié)構(gòu)，會(huì)使得其具有“各向異性”——宇宙微波背景中微小的溫度差異。在飛往地球的過程中，宇宙微波背景光子在這些結(jié)構(gòu)中逗留的時(shí)間越長(zhǎng)，它的溫度看上去就越低。這一溫差讓天文學(xué)家能以一種全新的方式來研究宇宙，揭示了它的演化。

光以波的形式傳播，就像在大洋表面運(yùn)動(dòng)的水。如果它們?cè)谀硞�(gè)特定的方向上發(fā)生振蕩，這些波就具有了偏振。例如，水波會(huì)上下振蕩。當(dāng)?shù)厍虼髿庵械牧Ｗ臃瓷潢柟鈺r(shí)，地球的藍(lán)天也就有了偏振。

同樣，宇宙微波背景也會(huì)具有微小的偏振。但它的方向則是由早期宇宙中的物質(zhì)來決定的。

1996年，斯洛文尼亞的理論宇宙學(xué)家、現(xiàn)美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校教授烏羅什塞利亞克（Uros Seljak）在尋找新的方法來從宇宙微波背景中提取信息，他懷疑其中還隱藏著秘密。

與由星系所產(chǎn)生的大尺度顯著影響不同，塞利亞克想要尋找宇宙微波背景中的小尺度扭曲。他提出，如果暴脹確實(shí)發(fā)生了的話，那么在劇烈的膨脹階段會(huì)形成大量的引力波，隨后它們會(huì)傳遍整個(gè)宇宙。這些引力波也會(huì)扭曲宇宙微波背景中的光，產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)志性的旋渦形狀。如果在天空中觀測(cè)到了這一現(xiàn)象，就能為暴脹提供物理證據(jù)。

以磁場(chǎng)的符號(hào)，塞利亞克將這一理論上所預(yù)言的扭曲稱為B模。類似于電場(chǎng)的偏振則被命名為E模。他的論文和其他的研究開啟了探測(cè)B模偏振的熱潮。

“實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家非常迅速地就抓住了這個(gè)想法，”他說，“當(dāng)然，他們目前還沒有足夠的敏感度來看到它，而為了達(dá)到現(xiàn)在的靈敏度則差不多花了近20年的時(shí)間。”

在探測(cè)B模的項(xiàng)目中，BICEP是最雄心勃勃的。它第一個(gè)達(dá)到了尋求供答案所需的的分辨率。“這是一場(chǎng)自1997年持續(xù)至今的比賽，現(xiàn)在我們終于達(dá)到了能開始取得成果的地步，”塞利亞克說。

杰米博克（Jamie Bock）是美國(guó)加州理工學(xué)院的一名實(shí)驗(yàn)宇宙學(xué)家。10多年前，他和其他幾個(gè)物理學(xué)家一起設(shè)計(jì)并建造了BICEP。從那時(shí)起，這個(gè)團(tuán)隊(duì)就在南極對(duì)天空進(jìn)行系統(tǒng)地勘測(cè)。他們的目的是測(cè)量宇宙微波背景中的B模偏振。該團(tuán)對(duì)稱這一信號(hào)為宇宙引力波背景。

南極的高海拔和干燥氣候?yàn)檫M(jìn)行微波觀測(cè)提供了一個(gè)完美的地點(diǎn)，而在地球上的其他地方微波很容易就會(huì)被水蒸氣吸收掉。

在探測(cè)B模的競(jìng)賽中，BICEP并不是唯一的參賽選手，但其他與之競(jìng)爭(zhēng)的項(xiàng)目則做出了妥協(xié)，以確保它們也可以回答更多有關(guān)宇宙的問題。

因此，當(dāng)BICEP不斷在小尺度上提高其測(cè)量精度之時(shí)，其他的團(tuán)隊(duì)則正在從相反的方向來推進(jìn)。南極望遠(yuǎn)鏡（SPT）和阿塔卡馬宇宙學(xué)望遠(yuǎn)鏡偏振計(jì)（ACTPol）正在使用其龐大的儀器來完成對(duì)宇宙微波背景大尺度的巡天。它們的研究結(jié)果預(yù)計(jì)很快就會(huì)公布。

“我認(rèn)為，進(jìn)行不同的測(cè)量對(duì)這個(gè)領(lǐng)域來說是有益的，”博克說。

使用ACTPol、SPT和“北極熊”（POLARBEAR）——另一個(gè)位于智利阿塔卡馬的宇宙微波背景偏振實(shí)驗(yàn)，天文學(xué)家正在使用宇宙微波背景來研究宇宙中的大尺度結(jié)構(gòu)，例如早期星系。當(dāng)宇宙微波背景輻射穿過一個(gè)星系團(tuán)時(shí)，其光子會(huì)和星系團(tuán)中的電離氣體發(fā)生相互作用，進(jìn)而改變了光子的波長(zhǎng)。

高新ACTPol的首席科學(xué)家蘇珊斯塔格斯（Suzanne Staggs）說：“宇宙微波背景中的每一個(gè)光子在飛往我們的過程中平均會(huì)受到50次這樣的影響。”

這就可以把宇宙微波背景作為光源，天文學(xué)家可以通過研究其中的斑點(diǎn)來編纂出新的星系團(tuán)表，其中一些的距離和大小甚至超過了此前所已知的。因此，即便這些實(shí)驗(yàn)沒有探測(cè)到B模，天文學(xué)家也能夠了解有關(guān)早期宇宙中星系演化的驚人內(nèi)幕。

然而，這一效應(yīng)也會(huì)干擾B模的探測(cè)。當(dāng)一個(gè)有偏振的宇宙微波背景光子穿過這些星系團(tuán)時(shí)，由此產(chǎn)生的引力透鏡效應(yīng)會(huì)給它增加額外的扭曲。要探測(cè)到來自暴脹的B模信號(hào)，這些效應(yīng)必須要像塵埃干擾一樣被去除掉。

“從我們目前所看到的來說，我個(gè)人感覺，你必須要在每一個(gè)地方都對(duì)其進(jìn)行修正，”斯塔格斯說，“但這目前還做不到。隨之而來的問題是這個(gè)改正有多大，以及在什么樣的程度上你覺得你可以完全相信它。”

另一個(gè)與BICEP相競(jìng)爭(zhēng)的項(xiàng)目是一架搭載在氣球上望遠(yuǎn)鏡，被稱為“蜘蛛”，它高高的飄浮在會(huì)干擾觀測(cè)的地球大氣之上。這個(gè)項(xiàng)目包含了來自BICEP、SPT和其他項(xiàng)目的成員。2015年1月，它在南極上空收集了宇宙微波背景的數(shù)據(jù)。

2016年的第二次飛行將會(huì)在地面也能觀測(cè)的頻率上來進(jìn)行，以便進(jìn)行比較。該團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)也將很快公布其結(jié)果。

對(duì)于BICEP來說，引力透鏡信號(hào)已經(jīng)與其儀器噪聲在相同的水平上。這表明在沖向暴脹的競(jìng)賽中該團(tuán)隊(duì)占據(jù)了優(yōu)勢(shì)——他們的儀器最靈敏。“現(xiàn)在我們就在這個(gè)突破點(diǎn)上，”博克說。

第一代的BICEP是一個(gè)僅使用了98個(gè)探測(cè)器的陣列。但到2015年開始觀測(cè)的時(shí)候，這個(gè)數(shù)字已增長(zhǎng)到2 560個(gè)，使BICEP具有了驚人的集光能力。

不過，需要指出的是，沒有人能確保B模就一定會(huì)真的存在。這是BICEP必須要冒的真正風(fēng)險(xiǎn)。它把賭注全壓在了最流行的林德的混沌暴脹理論上，來探測(cè)由它所預(yù)言的原初B模。

因此，當(dāng)BICEP2在2014年看到B模在天空中是如此的強(qiáng)時(shí)，甚至博克自己都感到很驚訝。宇宙學(xué)家使用比值r來度量這一信號(hào)，它表征的是在早期宇宙中引力波相較于密度變化的對(duì)比度。簡(jiǎn)單來說，r代表著暴脹的強(qiáng)度。BICEP測(cè)得的r值為0.2，大約是預(yù)言的2倍。這一強(qiáng)度被視為是對(duì)林德的混沌暴脹模型的支持。在這一發(fā)現(xiàn)被公布之后，整個(gè)暴脹理論界都開始慶祝。

然而，對(duì)此的首批科學(xué)質(zhì)疑之一便來自B模的命名者——塞利亞克本人。

“和其他人一樣，我也對(duì)BICEP的結(jié)果感到興奮，我們都在慶祝，”他說，“隨后，我開始查看那些在普朗克探測(cè)器會(huì)議的論文集中已經(jīng)公布的結(jié)果。”

塞利亞克發(fā)現(xiàn)，BICEP團(tuán)隊(duì)在與普朗克探測(cè)器的結(jié)果進(jìn)行比較時(shí)，使用了過時(shí)的數(shù)據(jù)。當(dāng)把普朗克探測(cè)器的新結(jié)果帶入之后，探測(cè)到來自銀河系之外B模信號(hào)的置信度便消失了。

“我們問了一個(gè)很簡(jiǎn)單的問題：BICEP的信號(hào)是否有可能來自塵埃？”塞利亞克說，“對(duì)這個(gè)問題的分析顯示，這些信號(hào)完全可以用塵埃來解釋。”

“實(shí)際上，這一結(jié)果之后變得越來越?jīng)]有說服力，”他補(bǔ)充道。“BICEP和普朗克探測(cè)器之間的聯(lián)合分析表明僅有存在B模的一絲跡象，而現(xiàn)在即便是這個(gè)跡象也消失了。”

隨之而去的還有對(duì)混沌暴脹理論的支持。但BICEP團(tuán)隊(duì)仍在搜尋天空，將他們的目光放在95千兆赫的頻率上，在這個(gè)波段上他們的儀器對(duì)宇宙微波背景會(huì)比對(duì)塵埃更加的敏感。一旦他們把這些測(cè)量結(jié)果和此前的歸總到一起，應(yīng)該可以把他們的測(cè)量誤差減小到之前的1/2，進(jìn)而澄清暴脹的信號(hào)是否真的存在。

BICEP的最新數(shù)據(jù)已于2016年1月底公布，支持了此前信號(hào)來自塵埃的論斷，并進(jìn)一步調(diào)低了r的上限（r<0.09）。博克說，未來幾年應(yīng)該會(huì)看到暴脹所預(yù)言的最常見信號(hào)是否能被探測(cè)到，r值的上限預(yù)期將會(huì)被進(jìn)一步的壓縮。

“如果沒有探測(cè)到信號(hào)，也同樣是吸引人的，”博克說。也就是說，如果儀器什么都沒有發(fā)現(xiàn)，那么理論家將不得不回到原點(diǎn)，思考一下我們對(duì)暴脹的理解可能出現(xiàn)了什么問題。

從塞利亞克的角度來看，暴脹理論是有生命力的。它對(duì)宇宙的解釋極具價(jià)值。然而，塞利亞克也認(rèn)為，搜尋時(shí)間之始的B模競(jìng)賽已經(jīng)排除了某些特定版本的暴脹——值得注意的是，其中不乏見于今天大多數(shù)教科書中的。“不管怎么說，暴脹是一個(gè)非常有說服力的理論，”他說，“它有許多已經(jīng)被證實(shí)的東西。”