原初引力波的发现在科学上有多大的意义

文/著微（知乎）

本文系作者授权“清南”发布

【按：目前关于这一发现的报道和科普文已有很多，但是不少文章（特别是新闻报道）喜欢把原初引力波比喻成“大爆炸的涟漪”。名字很美，但却是一个误解。其似乎在暗示，原初引力波的产生，如同一个本来平静的空间，一颗炸弹爆炸所激起的冲击波。但实际上，这很不确切。具体见下面第三、四节。】

【一】

中文报道里用到一个词——“原始”。这个词的英文是“primordial”，宇宙学中一般译为“原初”。

“原初”在宇宙学中一般是泛指“复合之前”这个阶段。宇宙在大约38万年的时候，随着温度的降低，自由质子和电子重新结合成中性原子——所谓“复合”。此时，等离子体的雾霾散去，宇宙变得透明，光可以畅行无阻。于是这些光，经过137亿年的征程，进入我们的“眼睛”，即是所谓“宇宙微波背景辐射”——婴儿宇宙38万岁时的照片。

“宇宙微波背景辐射”在1964年就被贝尔实验室的Penzias和Wilson发现了，并为二人带来了1978年的Nobel物理学奖。

【二】

在早期宇宙研究中，“原初”更进一步特指“宇宙学暴涨”——宇宙极早期经历的急剧加速膨胀过程——时期。

最初，“暴涨”理论的提出，是为了解决旧的“大爆炸”理论的几个困惑，比如：

• 今天的宇宙空间为何看上去如此平坦？
  

• 宇宙这么大，各个地方离得那么远，却为何看上去都差不多？

而“暴涨”理论非常优雅地解决了这两个疑难：

• 急剧的加速膨胀——就像吹气球一样——把所有可能的不均匀和不平坦都抹除、拉平了。
  

• 今天的宇宙最初是一块很小的区域，是“暴涨”把它们拉开的；所以各部分离得这么远、却看上去差不多，因为它们曾经在一起。

【三】

但一个问题是，既然暴涨把所有的不均匀性都抹平了，那宇宙应该空无一物、极度乏味，可为何宇宙还确实存在“结构”——星系、超星系、超星系团等等？

就像大海一样，远观像镜面一样平静，近观却波涛汹涌，真实的空间中也无时无刻不存在随机的“量子涨落”。但是通常情况下，这些“涨落”却随起随灭，如同电视机无信号时的雪花点，吵吵半天，仍然是灰白一片，什么也没留下。

但是“暴涨”却提供了一种“冻结”机制。就像海面的波涛，一旦涌起，就赶紧“冻”住。于是最终海面就不再是随机的翻涌，而是如同连绵的冰山一样，有了特定的“结构”。同样，空间中的“量子涨落”，产生于虚空，但是被暴涨所“冻结”，形成一粒粒的真实的“尘埃”——今天宇宙结构的“种子”[1]。

而这种“冻结”机制的存在，也正是因为宇宙的“加速膨胀”——暴涨“一箭双雕”地解决了旧大爆炸的困难，同时产生了宇宙的结构。也正是因为后者，暴涨才成为今天早期宇宙研究的基础。

暴涨把产生于虚空的随机量子涨落冻结成实在，就像把随手画的钞票兑换成真金白银一样。于是暴涨的发明者Alan Guth喜欢说，宇宙就是一场免费午餐。

【四】

回到引力波。

通常的“结构”——星系、超星系、超星系团，是宇宙空间中质量“密度”的起伏。密度是空间的“标量场”，而引力波——却是空间的“张量场”波动。

于是，一个更确切的说法是，空间中无处不在的“张量场”的随机涨落，在暴涨过程中被“冻结”，同时被暴涨拉伸到宇宙的尺度，形成原初引力波背景。

这些“张量场”的随机涨落一直都在，其本身并不是暴涨（或是大爆炸）产生的。就在今天，此时此刻，我们周围，仍然无时无处不存在张量场（包括其他各种场）的随机涨落。今天的这些随机涨落，对于我们只是“噪声”，甚至我们都无法察觉其存在。但是在暴涨时期，这些随机涨落被“冻结”，形成了固定的背景起伏。

【五】

描述经典电磁场的Maxwell理论预言了电磁波——以光速传播的电场和磁场的振动——的存在；描述经典引力场的Einstein广义相对论也预言了引力波——以光速传播的引力场的振动——的存在[2]。

电磁场的“荷”即是“电荷”，电磁波可以通过天线产生震荡电流，从而被探测到。引力场的“荷”即是“质量”。原则上，当一束引力波通过，我们也会看到物体被拉伸、压缩、扭曲。这也是引力波真正意义上的直接探测。但是，引力实在是太弱了。电磁波早在1887年即被Hertz证实，在今天的生活中也已无处不在。但是引力波，在从广义相对论发明至今的近一百年里，却一直没有被直接探测到。

1974年，Hulse和Taylor发现了第一颗射电脉冲双星PSR 1913+16。这个双星系统轨道周期的变化与引力波辐射损耗的预言相吻合，从而间接证明了引力波的存在。二人也因此获得1993年的Nobel物理学奖。

【六】

宇宙微波背景——宇宙38万岁时的照片，却记录了原初引力波的踪迹。

这张38万岁的照片，从某种意义上来说，类似一张3D照片。因为它同时记录了光的两种偏振，就像观看3D电影一样，我们可以带上3D眼镜，使一只眼睛分别只看到一种偏振。

光的偏振在宇宙微波背景上的“分布”，也有两种模式。一种叫“E模式”——因为其看起来“像”电场，而中学物理书里电场通常用E表示；一种叫“B模式”——因为其是“螺旋”状的，看起来“像”磁场，而磁场用B表示。下图是这两种模式的形象展示[3]：

http://www.changweibo.com/ueditor/php/upload/20160215/14555152012317.jpg

需要强调的是，E、B模式是偏振“分布”的两种模式（或者说“偏振场”的两种模式），和光的两种偏振本身是两回事。

问题的关键在于：

• “E-模式”，可能来自密度涨落，也可能来自引力波，于是仅靠观测“E-模式”无法确证是引力波的贡献；
  

• “B-模式”，无法由密度涨落产生，通常认为即来自引力波[4]。

宇宙微波背景记录的是在此之前的信息，于是，如果在宇宙微波背景上看到了“B-模式”的偏振分布，毫无疑问就是“原初”引力波——即在暴涨期间产生的引力波——的证据。

【七】

最终，2014年3月17日，美国BICEP2（Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization，宇宙超星系极化背景图像）实验组[5,6]宣布以超过5个标准差的置信度，探测到了宇宙微波背景中来自原初引力波的“B-模式”偏振模式。下图是实验组文章中展示的偏振分布图[7]：

http://www.changweibo.com/ueditor/php/upload/20160215/14555152148289.jpg​

最后，这个发现的科学意义（包括但不限于）：

• 支持了广义相对论；
  

• 支持了暴涨理论；

• 支持了“微扰”量子引力；

• 确定了张量、标量涨落幅度比值；

• 确定了暴涨的能量标度；

• 进一步限制了暴涨模型；

• 开辟了引力波观测窗口。

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附注
[1]  稍具体点，暴涨时期宇宙有一个特征尺度，即“哈勃尺度”。量子涨落的波长被暴涨迅速拉长，一旦超出哈勃尺度，量子涨落退相干，成为经典的扰动，从而被固定在那里。
[2]  可以参考：引力的传播速度是光速吗？
[3]  图片来自http://www.skyandtelescope.com/news/Seeking-the-Cosmic-Dawn-217764581.html
[4]  “B-模式”还可以有其他来源，比如引力透镜可以将“E-模式”扭曲为“B-模式”。而这种来自引力透镜的“B-模式”偏振分布已经被SPT（南极望远镜）和PolarBEAR观测到。
[5]  BICEP and Keck Array
[6]  BICEP2 2014 Results Release
[7]  http://arxiv.org/abs/arXiv:1403.3985

来源邀稿：著微

http://www.changweibo.com/ueditor/php/upload/20160215/14555151491803.jpghttps://www.zhihu.com/question/23058319/answer/23555508