文／苗千
位於南極極點附近的第二代BICEP 望遠鏡捕捉到了宇宙誕生瞬間留下的印記
2014年3月17日，哈佛－史密松天體物理學中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)發佈新聞，在阿蒙森- 斯科特南極站（Amundsen-Scott South PoleStation）一個由來自多個研究機構的天體物理學家組成的BICEP實驗小組，在對宇宙微波背景輻射（Cosmic Microwave Background）的探測和分析中，發現了之前由一些支持“宇宙暴脹” 理論的天體物理學家預測存在的“B模式偏振”（B-mode polarization），這是支持宇宙中可能存在原初引力波（primordial gravitational wave）的有力的間接證據，這個新聞對於宇宙學和理論物理學研究都意義重大，一時間舉世轟動。
此時的情形與2012年7月間歐洲核子中心終於發現了希格斯玻色子時一樣，全世界媒體都充斥著“大爆炸”(Big Bang)， “暴脹”(inflation)，“宇宙微波背景輻射”，“原初引力波” 等宇宙學詞彙，如果把這些詞彙串聯起來，我們就可以大致描述出這個目前由人類已經探知的，在大約138億年前通過一次大爆炸誕生，之後又經歷了暴脹，膨脹，到成長為如今平坦空曠的宇宙的故事；而與之相伴的，則是另外一個理論物理學與實驗物理學在將近一個世紀的發展中，相互融合與促進，預測與尋找引力波的故事，這個故事包含了實驗物理學家的探求與機遇，理論物理學家的迷惑與希望，以及天體物理學家的狂想與收穫，而且它還遠未完結。
儘管物理學家們相信物理學定律在宇宙的任何位置都保持一致，因此在理論上我們可以研究宇宙的任何一個區域，而且從20世紀初開始，物理學家也逐漸意識到廣義相對論可以用作研究整個宇宙的有力工具，但是就如諾貝爾物理獎得主史蒂芬·溫伯格（Steven Weinberg）所說，在20世紀50年代，研究宇宙的起源，並不是一個嚴肅的物理學家應該做的事情。
第一個探測到宇宙大爆炸迴響的卻是對此毫無準備的外行。1960年，貝爾實驗室建造了一個20英尺長號角形狀的巨大天線，用來測試一個早期的名為“Echo” 的衛星通訊網絡，並且試圖通過它來接收來自高空的金屬氣球發回的信號。但是不久以後，另外一顆衛星發射升空，這個衛星通訊網絡被廢棄，不再有商業價值，因此這個巨大的天線也就被轉為用作科學探測。1964年，在貝爾實驗室工作的兩位射電天文學家阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）與他聘用的合作者羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）在新澤西利用這個巨大的天線進行探測實驗，他們試圖通過這個當時世界上最靈敏的天線來進行射電天文學的觀測以及衛星通信的研究，並且探測星系之間的信號。當他們試圖接收來自應該是“絕對零度” 的宇宙中的信號時，他們發現接收到的信號絕非是絕對零度，裡面摻雜了比預想中多得多的噪音信號。
一個有開端的（我們暫時還不知道它是否會有一個終結），不斷演化的宇宙，在經過一次大爆炸誕生之後，又經歷了一次暴脹過程，迅速地從微觀狀態被拉伸至宏觀狀態，從而使宇宙空間基本平直。這個宇宙在誕生了大約38萬年之後，溫度逐漸冷卻，使得電子和質子可以開始相互結合，首先形成了氫原子，光子也終於能夠從與其他粒子的頻繁相互作用中掙脫出來，宇宙開始變得透明。此時終於獲得自由的光子承載了宇宙大爆炸的迴響，終於在138億年之後被彭齊亞斯和威爾遜探測到——這是人類為宇宙的誕生和發展所描繪的一個“合理” 的過程。但是宇宙學家仍然需要尋找宇宙暴脹的證據。
在20世紀90年代被宇宙學家們預測可能存在的原初引力波，可能就是支持宇宙暴脹模型的最有力的證據，這種原初引力波是在宇宙暴脹過程中產生的，而它可能在宇宙微波背景輻射中打上某種印記。是否能夠在宇宙微波背景輻射中發現這種印記，從而證實原初引力波的存在，進而支持宇宙暴脹理論，科學家們並不確定，而且這在技術上極難實現，宇宙微波背景輻射的信號本身非常微弱，其中的偏振更是很微弱，如何從中分辨出原初引力波在其中留下的印記？而從中尋找這個印記的意義又非常重大，因此被稱為是現代宇宙學研究的“聖盃”。
引力波是一種空間的褶皺，它通過空間本身以光速傳播。人類認識到引力波的存在，以至接下來尋找引力波，起源於廣義相對論。愛因斯坦在他的“奇蹟年” 1905年，通過對於同時性的思考，創立了狹義相對論之後，又經過了十餘年的努力，在1916年發表了愛因斯坦場方程，建立了更為廣闊的廣義相對論體系。廣義相對論以宇宙時空為研究對象，通過一個方程，把物質與能量和宇宙空間的性質聯繫起來，如果簡單的講述廣義相對論的意義，可以說宇宙的時空不再只是物質和能量相互作用的舞臺，而是親自參與其中，引力效應實際上是因為質能引起了時空的扭曲的體現，用美國物理學家約翰·惠勒（John Wheeler）的話說，就是， “時空告訴物質如何運動，物質告訴時空如何彎曲” （Spacetime tells matter how to move; matter tellsspacetime how to curve）。時空與物質相互作用，質能的變化會引發時空的波動，這就是引力波。
1980 年率先提出宇宙暴脹理論的阿蘭·古斯
廣義相對論對於引力波的預測通過了宇宙中最嚴格的考驗，接下來，是否能探測到原初引力波曾經存在的證據，也就成為檢驗宇宙暴漲理論是否成立的決定性因素。探測原初引力波，需要對於宇宙微波背景輻射進行仔細的探測和分析。在海拔較高，空氣比較乾燥的地區，比如南極或是智利的山區都建有探測宇宙微波背景輻射的天文臺，但是人們還是更多的把希望寄託在不受地球大氣層干擾的探測衛星上。
1989年11月，美國航空航天局（NASA）發射了“宇宙背景探測者”（COBE）衛星，用以對宇宙微波背景輻射進行精確探測，COBE衛星的探測結果顯示，宇宙微波背景輻射總體來講非常均勻，同時也存在極小範圍的波動，它描繪出了宇宙微波背景輻射在十萬分之一範圍內的大尺度各向異性地圖。這個探測結論在極大程度上肯定了宇宙大爆炸理論，而這個計劃的主要負責人喬治·斯穆特（George Smoot III）和約翰·馬瑟（John Mather）也因為這項成就獲得了2006 年諾貝爾物理獎。
在2001年，NASA又發射了威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）衛星，作為COBE衛星的繼任者，它以遠超COBE衛星的精度探測宇宙微波背景輻射在宇宙中溫度的極小差異，探索其各向異性的細節，更加精確地確定了宇宙的年齡，宇宙的組成部分以及宇宙空間的平坦性質，並且進一步肯定了宇宙大爆炸理論和宇宙暴漲理論。在經過了9年的探測之後，WMAP衛星在2010年完成了它的探測任務，永遠留在了宇宙空間。此後人們普遍把在2009年升空的普朗克（Planck）衛星看作是WMAP衛星的繼任者，普朗克衛星是歐空局（ESA）經過15年研發的成果，計劃以前所未有的精度對宇宙微波背景輻射的各向異性進行探測。
因為普朗克衛星裝備了最靈敏的探測儀器，人們認為它最有可能給出暴漲理論正確與否的答案。宇宙微波背景輻射不僅存在溫度上的極小差異，同時還存在微弱的偏振，探測這種極其微弱的偏振現象，正是尋找原初引力波痕跡的最關鍵之處。依照電場（E）和磁場（B）的特性，宇宙學家們把宇宙微波背景輻射中的複雜的偏振現象分為E模式與B模式兩種類型，而其中對於B模式偏振的探測之所以被稱為宇宙學研究中的“聖盃”，原因就在於這種極為微弱的漩渦狀的偏振現象雖然極難探測，卻是宇宙暴脹理論預測的結果之一，當宇宙以加速形式暴脹時，會引起空間的劇烈震動，發出原初引力波，從而使宇宙微波背景輻射產生出B模式偏振的印記。宇宙中的其它干擾可能使宇宙微波背景輻射產生E模式偏振，但是隻有原初引力波才有可能同時產生E模式和B模式的偏振。研究者們需要對於微弱的宇宙微波背景輻射進行探測，再分析出其中的偏振現象，進而辨別出E模式與B模式，再得出清晰的B模式偏振證據，這是現代宇宙學研究的巨大挑戰。
在南極的阿蒙森—斯科特考察站進行了的一系列“宇宙河外偏振背景成像”（BICEP）實驗，經過了十多年的準備和建設和多年的探測之後，意外地首先獲得了宇宙微波背景輻射中B模式偏振的清晰證據。BICEP系列實驗是第一個專門為探測宇宙微波背景輻射中B模式偏振而設計的探測實驗，即使如此，BECEP實驗的科學家們也沒有想到可以如此迅速地發現B模式偏振。為了避免在某個區域因為引力透鏡現象的影響，使微波背景輻射中的E模式偏振轉變為B模式偏振，BICEP的科學家們在宇宙較大尺度內（20 度）分析微波背景輻射的偏振狀態，出乎意料的得到了B模式偏振的清晰證據，甚至有可能通過探測數據推算出宇宙暴脹的能量。
BICEP實驗先後使用三代不同的探測器對宇宙微波背景輻射進行大尺度的精確測量，在2006年至2008年間進行探測的BICEP1實驗只有49個探測器，當時使用的還是類似於普朗克衛星上使用的技術，把電磁信號轉變為熱量，然後再探測傳感器上微弱的溫度變化，進而探測其中的偏振，而在2010年至2012年間進行探測的最終提供了確定性數據的BICEP2實驗則由512個探測器構成，它裝備了目前世界上最靈敏的SQUID超導探測器進行信號放大，比BICEP1探測器要靈敏十倍。BICEP2 實驗的科學家們使用只有26 釐米口徑的擁有兩個透鏡的折射式小型望遠鏡對天空中這種微弱的信號進行探測。為了儘可能不受周圍環境的影響，實驗人員在這個小型望遠鏡的周圍圍繞了一層只有4K溫度的包裹材料，並且在鏡頭前加上吸收屏以吸收周圍的輻射，同時，為了避免望遠鏡受到方向性的干擾，利用小型望遠鏡的便利條件，實驗人員每天都把望遠鏡沿著它的軸心旋轉；而計劃將於2014年開始工作的BICEP3實驗的望遠鏡則將由2560個探測器構成，必將出更令人信服的探測結果。BICEP實驗的負責人之一，約翰·科瓦奇（John Kovac）形容說， “人們本來是想在草堆中找一根針，沒想到卻發現了一根木棒”，我們可以從他的話中感受到BICEP實驗科學家們的意外和驚喜。
雖然目前鋪天蓋地的關注和報道隨之而來，人們仍然期待著其它實驗對BICEP的實驗結果進行確認（主要是普朗克衛星的數據分析，普朗克衛星預計將在2014 年年中給出宇宙微博背景輻射的偏振測量結果），同時科學家們也在對BICEP2 的實驗數據進行進一步分析，預計在2014 年年底之前可以得出最終結果。如果這個結果最終得到確認，那麼這將是對於原初引力波存在的最有力的間接證據，將在極大程度上肯定宇宙暴脹理論，毫無疑問這將是一個具有里程碑意義的科學發現，同時，在理論物理學方面，這也將證實引力確實可以被量子化，這對於立志將自然界的四種基本作用：強相互作用，弱相互作用，電磁相互作用和引力相互作用最終統一起來，創建一個“大統一理論” 的理論物理學家們也將是一個極大的鼓舞。但是人類尋找引力波的故事遠未完結，如何探測到引力波存在的直接證據，如何利用引力波進行宇宙學探測和研究，引力波究竟在多大程度上對宇宙空間產生影響，這些問題還都沒有答案。
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