美国马萨诸塞州坎布里奇——1979年的一个深夜,一位名叫阿伦·古斯(Alan Guth)的年轻物理学家还没入睡。他没有固定的职位,只有一个斯坦福大学给的为期一年的位置,不过他已有了一个最近生下来的儿子。这一夜,他是在笔记本和方程式的陪伴下度过的,他闯进了远远超出已知物理学的世界。
他在试图理解,为什么一直找不到某些奇异粒子的痕迹,这些粒子应该是宇宙大爆炸时产生的。但他却发现了也许是最初引起宇宙爆炸的原因。在宇宙演化的假定过程中的一个潜在问题,也许能让空间本身具有一种特殊能量,给宇宙施加一种排斥力,使宇宙在一个剧烈狂暴瞬间,以比光速还快的速度膨胀。
如果真是这样的话,宇宙的这种快速胀满有可能解释一些悖论,比如为什么天空从任何方向看上去都是均匀的,而不是一片凹凸不平、扭曲的乱七八糟。这种快速的、像气球那样的膨胀,会拉平所有的皱纹和不平整。那些粒子不是丢失了,而是被稀释到检测不到的程度,就好比吐在大洋中的口水。
“令人惊叹的认识”,古斯在笔记本页面的上方用大写字母写道,他还在这几个字的周围画了一个双线的框框。
周一,古斯的星际飞船进港了。射电天文学家报告说,他们看到了宇宙大爆炸的开端,而且,他那个以平淡无奇的“暴胀”(inflation)一词为名的假说,看来是正确的。
由哈佛-斯密松中心天体物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)的约翰·M·科瓦克(John M. Kovac)带领的一个天文学家小组,用南极的望远镜,跨越138亿年的时间,回到宇宙开始的第一时刻,在时空构成中探测到了涟漪(即所谓的引力波),这些涟漪是在宇宙年龄大约只有万亿分之万亿分之万亿分之一(10的负35次方)秒时,宇宙被猛烈地撕裂开的明显标志。科瓦克和他的同事们说,人们长期以来在寻找这些涟漪,它们是暴胀的确凿证据,能够证明古斯的理论是正确的。
暴胀作为宇宙学的关键核心假说已有35年了,但是,包括古斯在内的许多人都不知道该理论最终能否被证实。
如果能被他人独立确认,科瓦克等人的工作将成为科学上的一个里程碑,其地位与最近的其他发现相当,比如暗能量驱动宇宙分离,或者宇宙大爆炸本身。这项工作将给科学和猜测打开时间、空间和能量的广阔领域。
证实暴胀假说将意味着,虽然我们看到的宇宙空间可达140亿光年之遥,里面有数以千亿计的星系,它只是更大宇宙中极小的一部分,而更大宇宙的范围、结构,以及命运都不可知。此外,在我们自己的宇宙之外,还可能有无数的其他宇宙永无止境地泡沫般地此起彼伏,就像煮面条的水不停地溢出来那样。
"没有比这再大的了"
在我们自己的宇宙中,这个发现能为观察极高能量层次的作用力提供一个视窗,那种能量是地球上的粒子加速器永远也不可能达到的,从而对引力本身产生新的见解。科瓦克等人的涟漪会成为对引力波的首次直接观察,根据爱因斯坦的广义相对论,这种涟漪应该在扰动着时空。
约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University)的马克·卡米昂考斯基(Marc Kamionkowski)是一位研究早期宇宙的专家,他不是那个天文学家团队的成员,他说,“意义太巨大了,没有比这再大的了。”
他接下来说,“这是来自最早期宇宙的一个信号,是宇宙用引力波编码发来的电报。”
这些涟漪在弥漫着整个空间的微波辐射中以微弱的螺旋图案表现出来,保存了宇宙年龄为38万年、其温度与太阳表面温度一样时的照片。
科瓦克和他的合作者们,周一在这里的天体物理中心,报告了他们名为Bicep(银河系外宇宙偏振背景成像[Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization])实验的结果,这些结果也作为一组论文投给了《天体物理杂志》(The Astrophysical Journal)。
科瓦克说,这些结果是一种偶然事件的概率只有千万分之一。
现年67岁的古斯宣布自己“为之惊叹”,说没有指望在自己有生之年看到如此明确的证实。
“面对大自然,你需要有运气,”他说,“显然,我们一直都很有运气。”
这些结果是从三年的观察和分析中提取出来的,一直在严格保密。因为担心泄密,科瓦克没有用电子邮件,而是亲自把论文草稿送到为数不多的几个人手里。科瓦克上周在古斯的办公室里与后者见了面,古斯现在是麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的教授,(他的儿子莱瑞[Larry],就是1979年夜里睡着了的那个,如今也是麻省理工学院的教授)。
“这是一个非常特殊的时刻,作为科学家我们非常严肃地对待这一时刻,”科瓦克说,他选择措辞就像他自己的射电望远镜那样小心翼翼。
斯坦福大学的安德烈·林德(Andrei Linde)是一位多产的理论物理学家,他曾于1983年首次描述了一种最为流行的暴胀变异模型,即所谓的“混沌暴胀”(chaotic inflation)。他正打算于上周去加勒比海度假的时候,科瓦克在斯坦福的同事郭昭麟(Chao-Lin Kuo)敲开了他的家门,向他通报消息,还带来了一瓶香槟酒。
林德一开始没明白是怎么回事,他大声问太太,她是不是订购了香槟酒。
“然后我告诉他,一开始我们以为这是一个派送,但我们觉得我们没有订购任何东西,不过我只是忘了,实际上,我的确在30年前订了这东西,”林德在一封电子邮件中这样写道。
林德从荷属加勒比岛屿博奈尔打来电话说,他仍然没有喘过气来,他说,“得到这样的消息是毁掉一个假期的最好方法。”
上周末,社交媒体上闹哄哄地传着看到了宇宙暴胀的谣言,消息开始传开,天体物理学家们对这条消息的反应兼有欣喜若狂和小心谨慎。
麻省理工学院的宇宙学家马克斯·泰格马克(Max Tegmark)在一封电子信中写道,“我认为,如果这个发现的真实性能保持下去,它将是科学史上最重大的发现之一。”
芝加哥大学(University of Chicago)的约翰·E·卡尔斯卓姆(John E. Carlstrom)曾是科瓦克的学术导师,他领导着一个名为“南极望远镜”(South Pole Telescope)的观测研究项目,他声称自己对该结果印象深刻,他说,“我觉得那些结果很漂亮,而且很令人信服。”
普林斯顿大学的保罗·J·斯坦哈特(Paul J. Steinhardt)是一个与暴胀竞争的模型的提出者,在他的模型中,大爆炸发端于两个宇宙的碰撞。他说,如果科瓦克等人的发现是真的,Bicep的结果将会排除他的模型,但他表示对暴胀持保留意见。
亚利桑那州立大学(Arizona State)的劳伦斯·M·克饶斯(Lawrence M. Krauss)及其他人也强调需要独立验证,他们指出,新结果超出了此前参数估计的范围,此前的估计是基于欧洲空间局(European Space Agency)的普朗克卫星观测到的宇宙背景温度图以及其他有关宇宙的假设。
克饶斯说,“所以在我们上蹦下跳之前,需要等着瞧瞧。”
独立验证可能在不久的未来就会出现。普朗克航天器今年将报告它自己的发现。而且至少有十几个团队在利用气球、山顶或空间的望远镜正在尝试进行类似的观测活动。
天上的螺旋
引力波是迄今为止从宇宙微波中探查到的最新和最深的秘密,宇宙微波背景辐射是由贝尔实验室(Bell Labs)的阿诺·潘齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)在上个世纪50年代意外发现的,他们因此获得了诺贝尔奖。
科瓦克尽其整个学术生涯都在试图解读出这些波动的秘密。他是Becip项目的四位领导人之一,该项目已经在南极运行了一系列越来越灵敏的射电望远镜,南极稀薄和干燥的空气造就了理想的观测条件。其他三位领导人是,明尼苏达大学(University of Minnesota)的克莱门特·普莱克(Clement Pryke)、加州理工学院(California Institute of Technology)的杰米·博克(Jamie Bock),以及斯坦福大学的郭昭麟。
科瓦克说,“南极是在地面上,能让你最接近太空的地方。”他去南极已经23次了,1994年曾在那里过冬,他说,“从那以后,我和南极结下了不解之缘。”
2002年,他参加的一个团队发现,相关微波辐射具有偏振性,也就是说光波略为偏好在一个方向上振动,而不是另一个方向上。
该发现朝着探测来自暴胀的引力波的最终目标迈出了一步。这种引力波在传播过程中,在一个方向上挤压空间,在另一个方向上拉伸空间,从而会扭曲微波辐射的偏振方向,理论家说。因此,天空中的偏振图上应该有形成螺旋状的小箭头。
探测那些螺旋需要测量宇宙微波辐射中极其微小的温度差别。科瓦克团队的Bicep2望远镜在本质上是一个巨大的超导温度计。
科瓦克说,“我们对能看到什么没有预期。”
信号的强度令研究人员吃惊,他们花了一年时间在哈佛大学一台超级计算机耗用大量计算时间,以确保他们的结果是正确的,同时他们担心竞争者会抢在前头出突破性结果。
一个特殊时刻
数据把暴胀的开端追溯到一个特殊时刻,物理学家(比如35年前在自己家里熬夜的古斯)猜测,那个时刻是宇宙演化的一个特殊断点。
物理学家认识到,在今日的自然界存在四种作用力:引力、电磁力、强核力及弱核力。但是很长时间以来,他们一直推测,这四种力只不过是一种单个统一力的不同表现而已,该统一力在宇宙最早、最热的时候统治着一切。
根据这个理论,随着宇宙变冷,它失去了完美性,好像一些古老的民间神话中神灵或兄弟闹翻了天。随着各种作用力从统一力中分离出来,物理定律随之演化而出。
这正是古斯出现的地方。
在某种情况下,一杯水在温度降到摄氏零度以下后,仍能保持液态,直到这种状态受到打搅,在那一刻,水会迅速冻成冰,释放出潜热。
类似地,宇宙也可能“过冷”,并且过长地处于一种统一状态。在那种情况下,空间本身会被灌满一种神秘的潜能量。
插入爱因斯坦的方程式中,这种潜能量可以起到某种反引力的作用,从而使宇宙自我爆炸。因为是空间本身提供了这种排斥力,爆炸产生的空间越多,宇宙把自己推开的力量就越大。
后来成为我们观察到的天地万物,在不到宇宙一眨眼的时间里,迅速增长了至少万亿的平方的倍数,从一个小之又小的原初能量点,变成一个柚子大小。
这种冲击几乎同样快地消退,松弛为普通的粒子和辐射。所有的宇宙历史篇章还有待开始,最终形成了如今观察到的宇宙,一片跨越几十亿光年之遥的星空。“人们常说,没有免费午餐这种事,”古斯喜欢这样说,“不过宇宙也许是终极的免费午餐。”
把“免费午餐”一词变成复数吧。从古斯原创性的洞见衍生形成的近百个模型中的大多数都提出,暴胀一旦开始,将会永远进行下去。即使我们自己的宇宙已进入了一个舒适的缓慢膨胀阶段,其他的宇宙将继续爆炸,无穷无尽地派生出其它大气球,这就是所谓的多宇宙(multiverse)的概念。
所以,宇宙的未来或许既光明又多产,但是别费神去追究有关回到更深更远的过去的问题。
我们也许永远不会知道宇宙暴胀之前,也就是在最初始的时候,发生了什么,因为暴胀把之前发生的一切抹掉了。原初一刻所有的混沌和随机紊乱,被一扫而光,永远从我们的视野消失了。
哈佛-斯密松中心的天文学家亚伯拉罕·勒布(Abraham Loeb)没有参加这个团队的工作,他说,“如果你要追溯自己的宇宙根源的话,你只能回到暴胀发生的时刻。”