尋找“盤古開天地”的宇宙引力波

物理學家還沒有找到直接證明宇宙大爆炸的第一個證據，大約在140億年以前，人類居於其中的宇宙誕生於突如其來的大爆炸，直到天地萬物的逐漸呈現，宇宙誕生的物理事件被天體物理學家稱爲宇宙大爆炸，在宇宙誕生的起點或在宇宙發生大爆炸之後的億萬分之一秒或零到10的負35次方秒的一剎那時間，宇宙奇點出現了幾何級數的極速膨脹，速率不均衡的膨脹將宇宙時空拉伸到地球上最強大的望遠鏡也觀測不到的地方。已有多種證據支持的宇宙大爆炸理論，但宇宙誕生的理論模型需要獲得直接觀測的證明。國際科學合作的研究項目（BICEP2）的發言人曾經發布了一個震驚科學界的大發現，他們似乎找到了宇宙大爆炸的第一個直接證據。

國際合作團隊的觀測證據是第一次測繪的引力波圖像，引力波是在宇宙時空中流動的引力波紋，被稱之爲宇宙大爆炸的第一次震盪。引力波圖像最終能夠證實量子力學和廣義相對論極其深刻的融合性。哈佛·史密森尼天體物理研究中心的物理學家約翰·科瓦奇解釋說，今日宇宙學有一項最重要的目標，就是探測“第一次大震盪”的原初引力波。科學家在原初引力波的探測中付出了大量的精力，所有的努力旨在尋找原初引力波信號。科瓦奇目前是BICEP2合作項目的負責人之一，突破性的成果源於BICEP2望遠鏡的觀測數據，BICEP2項目依據對宇宙微波背景輻射的觀測，這是宇宙大爆炸之後遺留的微弱輻射，微小波動的餘輝爲早期宇宙的形成提供了線索。

宇宙微波背景覆蓋整個天空，在微波背景的測量中發現了微小的溫度差異，從背景溫度的微小差異可以推斷，宇宙聚集成了物質密度不同的區域，在物質密集濃縮的區域、星系和星系團在氣體雲團的擠壓過程中形成。宇宙微波背景呈現爲微弱的光波，展現了光的所有屬性，包括光的偏振。太陽光在到達地球的之前受到了大氣層的阻隔，產生了偏振現象，避免了太陽光對地球表面的直射。人們戴上了偏光太陽鏡，就會減少太陽光對眼睛的直射，避開了耀眼炫目的光刺激。覆蓋太空的微波背景輻射受到原子和電子的阻隔作用，從背景輻射中產生了偏光效應，微波光輻射被分散到各個方向。

加州理工學院噴氣推動實驗室的物理學家傑米·博克解釋說，國際合作團隊主要尋找特別類型的偏光，也就是“B型偏光”，最古老的微波背景光線在偏振方向上呈現扭轉或扭曲的樣式，。宇宙大爆炸引力波在穿越時空的過程中產生了擠壓效應，早期引力波在擠壓宇宙微波背景時產生了特別的樣式，引力波好似光波一樣有了偏振樣式，物理學用“偏手性“定義了引力波的偏振性，左手或右手的偏振，左手或右手的旋轉。斯坦福大學直線加速器中心的物理學家郭朝林解釋說，“B型偏振”有漩渦結構的樣式，這是非常獨特的引力波信號，由引力波的偏手性決定。合作團隊第一次爲穿越在早期宇宙的引力波繪製了直接觀測的圖像，郭朝林和傑米·博克擔任了國際合作團隊的共同負責人。

合作團隊在大約1到5度的空間範圍進行了觀測，或爲滿月時空間幅度的2到10倍。合作團隊的成員利用了遙遠的南極望遠鏡，寒冷、乾燥而穩定的南極大氣條件有利於天文的觀測。南極是地面最靠近太空的地方，乾燥而晴朗的天空爲天文觀測提供了清晰的外在條件，在地球上觀測宇宙大爆炸遺留的微波背景輻射時，南極是最完美的觀測地點。合作團隊的成員對觀測的結果感到驚訝，在南極探測的“B型偏振”比有些宇宙學家預測的數值更大，經過對3年多時間收集數據的謹慎分析，排除了任何可能的數據誤差，銀河系的大量塵埃產生了影響，但他們在分析數據之後認爲，銀河系塵埃不會對B型偏光樣式產生影響。

國際合作團隊的共同負責人、明尼蘇達大學的物理學家克萊姆·普萊克解釋說，他們好似在一堆乾草中尋找一根遺落的針，卻找到了一根鐵棒。哈佛大學的理論物理學家阿維·勒布對發現B型偏光的科學意義進行了評論，觀測數據爲對宇宙基本問題的深刻理解奠定了基礎，宇宙學的基本問題是人類爲何存在，宇宙如何起源，觀測結果爲宇宙大爆炸給出了確鑿證據，好似觀衆在體育場看到了發令槍的煙霧，觀測結果顯示，宇宙在膨脹過程中變得越來越宏偉。BICEP2制定了第二個階段的探測計劃，在BICEP和凱克陣列開展的天文合作觀測活動中，形成了課題共同負責人的組織體系。

約翰·科瓦奇、克萊姆·普萊克、傑米·博克和郭朝林是4位共同的負責人，團隊成員來自於不同的大學和研究機構，吸收了有才華的學生，開展了全球、全方位的合作，共同探尋宇宙起源的線索。參與合作研究的大學有加州大學聖迭戈分校、不列顛哥倫比亞大學、多倫多大學、卡迪夫大學、國家標準與技術研究所、法國原子能委員會等。BICEP2合作項目接受了國家科學基金會（NSF）的資助，NSF管理了BICEP2項目的南極觀測站，南極望遠鏡爲BICEP2項目的主要觀測工具，凱克基金會爲望遠鏡的研製和安裝給與了資金支持，NASA和噴氣動力實驗室、摩爾基金會爲科技人員開發的超靈敏度探測器陣列提供了經費，資金和技術的投入爲項目團隊努力完成探測的使命創造了條件。

（編譯：2021-3-18）