本文轉自科研圈
找到宇宙誕生時的“第一縷光”，對於任何一位研究宇宙學的物理學家來說，恐怕都是難以抗拒的誘惑。2014 年，宇宙學家 Brain Keating 一度認為，他的 BICEP2 望遠鏡觀測到了宇宙最初始的光——宇宙微波背景輻射的 B 模偏振。這項前無古人的發現點燃了世界，卻在短短 6 個月後被證實是一場由宇宙塵埃導演的黃粱美夢。
在這個由當事科學家親自講述的故事中，除了那塊被宇宙塵埃“摧毀”的諾獎獎章，我們還窺見了科學從勝利跌落到失利的那個瞬間。
撰文 Brian Keating（加州大學聖迭戈分校物理學教授，宇宙學家）
翻譯 賈曉璇
審校 徐文慧
要追溯宇宙最初的起點（如果真有起點的話），就意味著要檢驗宇宙誕生的主導理論——暴漲（inflation）模型。暴漲模型於上世紀 80 年代初首次提出，彌補了更早提出的“大爆炸”（The Big Bang Theory）模型的缺陷。用“大膽”二字來評價暴漲模型都過於保守了：它暗示著我們的宇宙始於難以置信的光速甚至更高速度的膨脹。好在宇宙暴漲的持續時間遠遠小於一秒：塵埃一瞬，宇宙成形，造就萬物。茫茫星系與星際空間，宇宙間的一切都在暴漲的一瞬塵埃落定。
遺憾的是，30 多年以來，暴漲模型一直得不到證實，甚至有人認為它本就無法被證實。但大家都認可的一點是：如果有誰能夠探測到宇宙最初始的光、大爆炸中遺留下的熱輻射——宇宙微波背景輻射（cosmic microwave background，CMB），那他就已經搭上了開往諾貝爾獎的直通車。
南極的 BICEP2（右側建築）
圖片來源：Amble / Wikipedia
2014 年 3 月，終於有團隊對這一永恆的問題作出了回答。17 日在哈佛大學舉行的新聞發佈會上，我們宣佈 BICEP2 實驗發現了第一個暴漲理論的直接證據，能夠間接追溯到宇宙誕生的瞬間。
預想的是耳語，卻聽到巨吼
BICEP2 是一臺小型望遠鏡，它是在南極洲安置的一系列望遠鏡中的第二臺。十多年前我曾參與第一臺（BICEP）的研發，那時我還是加州理工學院（California Institute of Technology）一個不起眼的博士後。出於一種將無形的宇宙誕生過程有形化的執念，我發明了這臺望遠鏡。對我而言，如果我們成功了，諾獎將是最切實的獎勵。
BICEP 的設計很簡單：它是個小型折射望遠鏡，與伽利略望遠鏡（Galileo telescope）類似，在兩個透鏡的作用下，入射光被折射導向超靈敏探測器，而不是用肉眼直接觀察。望遠鏡需要被放到一個鮮有人類干擾的地區，於是我們選擇了南極。我們希望能靠它捕捉瀰漫在整個宇宙空間的 CMB，它是宇宙暴漲後的餘波，攜帶著大爆炸的信息。
多年來，BICEP2 一直在 CMB 中尋找一種旋迴盤繞的偏振圖樣，即 B 模偏振（B-mode polarization），因為這種偏振信號是宇宙嬰兒期產生的漣漪，故被認為只能是由引力波擠壓和拉伸時空造成的。又是什麼引起了這些波動呢？宇宙暴漲，只有它。因此 BICEP2 對這一模式的檢測將成為暴漲期間產生原初引力波的證據，證明暴漲確實存在。
然後我們真的觀測到了這一模式。沒有回頭路可走了。
哈佛天體物理學中心（Harvard's Center for Astrophysics）的新聞發佈會吸引了世界各地的媒體，就連在線觀看的人數都接近了 1000 萬。從《紐約時報》到《經濟學人》，再到印度發行的報刊，所有主流媒體都在頭條報道了這一發現。麻省理工學院（MIT）的宇宙學家馬克斯·特馬克（Max Tegmark）甚至給出了這樣的評論：“我在哈佛的新聞發佈會上寫下此文，宣佈我心中有史以來最重要的科學發現之一。一小時內，它將傳遍網絡；不久之後，它將斬獲諾獎。”
我們看到了長久以來整個世界都期待看到的東西。
但疑問仍存。最讓人擔憂的一點就是，BICEP2 獲得的信號強度異常的大——本該是大海撈針，可我們卻撈到了一根撬棍。消息宣佈時，我們很擔心會被競爭對手“普朗克”衛星（Planck satellite）擊敗，畢竟它是價值 10 億美元、擁有完美天穹和優越地利的太空望遠鏡。在 BICEP2 的新聞發佈會之前，“普朗克”已經排除了一個 B 模信號是原初 B 模偏振的可能性，而那個信號的大小約為我們這次探測到的一半。
宇宙學家預想的是一聲耳語，我們卻宣稱聽到了一聲巨響。“普朗克”衛星佔據著據地球 100 萬英里的高空這樣一個有利位置，沒有重力，遠離大氣汙染。它很有可能捕獲我們捕獲不到的信號。更糟糕的是，BICEP2 望遠鏡在兩年前就被拆解了，我們連它當時的工作狀態都無法判斷。不過我們仍擁有一項最強大的武器：海量數據。
我們將收集到的海量數據集分成兩部分，做成兩幅圖，一幅來自 BICEP2 前 18 個月的觀察，一幅來自後 18 個月。儘管信噪比較低（因為每幅地圖的數據量只有總數的一半），但是這兩幅地圖顯示的信號相同。BICEP2 的天文學家用了幾十種方法來分割數據，尋找兩組探測器所得數據之間的差異，以及望遠鏡掃描方向不同（從左到右還是從右到左）而獲得的數據之間的差異。團隊中的每個人也絞盡腦汁來設想可能遺漏掉的某些怪誕場景。但即使是外星人發出的信號，其影響也不會這麼驚人！
是塵埃，還是引力波？
BICEP2 的數據構成的圖案精妙到使我不能呼吸，這正是暴漲理論預測的結果！但是隨著一年的調查期結束，我們的擔憂從一開始的隱約浮現，已經變得十分明朗：信號既不是來自南極，也不來自大氣，更不是 BICEP2 自己產生的。如果不是來自宇宙的暴漲，還能來自哪呢？
一種可能的答案是：從伽利略時代以來，就困擾了無數天文學家的物質——塵埃。
BICEP2 在南極觀測到的B模偏振
圖片來源：Shaffer Grubb
B 模式可能來自銀河系的星際塵埃：微波被我們星系中的塵埃散射之後，也能得到類似的模式。那麼該如何證明它不是塵埃，而是宇宙微波背景上的引力波的特徵呢？我們需要高頻數據。
塵埃產生的偏振隨頻率的增加而急劇增加。但 BICEP2 的工作頻率僅有 150 GHz，對應的波長約為 2 毫米。將工作頻率翻一倍，塵埃的信號強度將增大兩倍。如果真的是塵埃造成了這種 B 模式，那將頻率增加到 300 GHz 就能將其分辨出來......要是我們真有這麼高頻率的數據就好了。
事實上，還真有這樣的數據圖，而它屬於我們的競爭對手——“普朗克”衛星。直到 2014 年初，“普朗克”都沒有公佈他們的 B 模偏振數據。我們擔心他們不僅掌握了證明我們測量結果正確與否的關鍵，更有可能在我們之前就已經捕捉到了暴漲理論的 B 模式信號。
我們拼命試圖與“普朗克”團隊合作，同時還不能讓他們知道我們發現了什麼，這種感覺就像在走鋼絲。同時，BICEP2 的數據頻率覆蓋也是一個大難題。
最終，“普朗克”團隊不願合作。我們只能自力更生，用數量來補償 BICEP2 在頻率質量上的不足。我們用舊數據製作了五種不同的塵埃模型，這五種模型均能預測星系中某個區域的總輻射，即塵埃產生的總熱量，但都不能給出我們在南極測得的偏振量。
事情很快出現了轉機：研究銀河偏振的專家、“普朗克”團隊成員讓-菲利普·伯納德（Jean-Philippe Bernard）同年在網上傳了一篇論文，展示了寶貴的塵埃分佈的實際測量圖。
測量圖一經發現，我的同僚就將其數字化，推導出了我們沒能要到的普朗克數據。但是我們都認為這是一種“偷偷摸摸”的做法，很多同僚也不贊成——我們使用了未經發表的數據，還將這張單一的、定性的圖片其轉化成數字化的信息。最終，我們得到了一個僅憑 BICEP 數據無法得到的模型，其中包含了我們渴望已久的信息。
是逐夢諾獎，還是譁眾取寵？
擔心可能會出現系統誤差，“普朗克”團隊並沒有公開發表這張圖片，但卻把它放到了網上，可以公開下載。這些數據一開始僅僅是增加了我們的信心，而後發揮的作用越來越大，據此我們推導出銀河系塵埃能夠被忽略，證實了一個難以置信的結論：我們發現了暴漲理論的 B 模偏振！
我們之前對五個模型的分析也表明，看到的 B 模偏振極可能無法用塵埃來解釋，普朗克的測量圖僅僅證實了上述結果。決定性證據來自於我的 BICEP 望遠鏡（現已更名為 BICEP1）。BICEP2 觀測天空時只有 150 GHz 這一個頻率，在此頻率下 CMB 強度最大；但 BICEP1 有三種頻率：90、150 和 220 GHz，這就可以很大概率排除塵埃的影響。這種信號來自塵埃的概率僅有 5%。
如果你“僅有”95% 的概率中獎，你會買這張宇宙史上最誘人的彩票嗎？毫無疑問會吧！普朗克的圖片與 BICEP1 的數據合在一起，說服了包括我在內的團隊所有 49 人。為了我們的諾貝爾夢，是時候發表結果了。
新聞發佈會後，三週內發表的與我們研究結果直接相關的論文就有 250 篇 。這個數量十分驚人：如果某篇論文幾十年內能被引用 250 次，那就是一篇“高被引”論文了。在四月初的時候，我收到了物理學家馬蒂亞斯·查達利亞加（Matias Zaldarriaga）的電子郵件，這封我以為會溢滿祝賀之詞的郵件，卻充滿了對研究細節上的盤問。
"塵卑而廣者，徒來也。
——《孫子兵法》"
我一直在擔心的“審判”就此拉開序幕。普林斯頓流言四起，都在談論我們使用了未公開的普朗克圖片中的數據。他在郵件中說：“普林斯頓的研究者對塵埃非常感興趣，他們的解釋使我相信，文中沒有充足的理由來確認這不是塵埃造成的。請問你們有自己觀測過前景（ foregrounds ）嗎？”
我當然看過前景，我們整個團隊都很擔心會我們觀測到的星系數據會產生偽原初 B 模引力波，但是來自 BICEP1 的低頻數據和來自普朗克測量圖的高頻數據，讓我們相信自己是正確的。
包括大衛·斯珀格爾（David Spergel）在內的諸多普林斯頓大學（Princeton University）研究者都對我們模擬塵埃的方式
存疑。這是預料之中的事，也許他們只是因為有人在發現 CMB 這件事上挫敗了他們，而感到沮喪。馬蒂亞斯寫到：“我認為我們這兒，大家已經在不眠不休地探討這件事了。”我心臟都緊張地停跳了，畢竟普林斯頓大學的宇宙學研究在全國數一數二，這個盛殿級的研究小組包括世界上最好的實驗學家和理論學家。我們就像是在參與一場暴漲理論的審判。
馬蒂亞斯告訴我，銀河系的塵埃偏振比 BICEP2 的科學家們預想的要高。我們可能沒注意到的是，我們將普朗克的測量圖數字化，那他們也可以在結果未發表之前，將我們的圖片轉化為測量數據。成也圖片，敗也圖片。
他補充說：“我只是希望最後能有一個客觀的結果。懷疑之聲不容小覷，所以我希望你們能加以回應，詳盡解釋一下你們是如何使用普朗克測量圖中的數據的。”
5 月初，拉斐爾·弗羅傑（Raphael Flauger）及合作者對我們的數據分析完畢，結果對 BICEP2 很是不利。他表示我們使用了普朗克測量圖中一個錯誤的塵埃偏振量，比正確值少 4 倍 。如果真是這樣，那 BICEP2 將會成為歷史上最著名的“塵埃觀測器”。
但弗羅傑的分析也不能決定一切。他很冷靜地說：“我希望還有其他信號，我並不想引起一場爭鬥；科學就是這樣，有人給出結果，就會有其他人加以檢驗。但這個過程一般不會呈現給公眾。”我們對“普朗克”數據的解釋有誤，但這不代表著我們真的錯了，還需要我們兩方無法得到的新數據來檢驗。
轉眼到了夏初，BICEP2 團隊在驚慌失措的氛圍下，一遍又一遍分析之前的數據、回應質疑，對媒體和學術會議做出解釋。
科學之爭存在的同時，還有媒體鋪天蓋地的評論。哈佛新聞發佈會是否譁眾取寵，成為所有科學領域中最熱門的話題之一。我們收到的有關 BICEP2 太過張揚的批評，與不當使用測量圖的批評一樣多。
實際上標準的程序是先進行一個月的同行評審，而後再召開新聞發佈會。但對 BICEP2 團隊而言，這一過程存在許多問題，令人擔憂：首先，在同行評審、重新編輯和提交的過程中，可能會被競爭對手搶先一步；其次，我們擔心在雜誌上發表論文並不公平，會把評議侷限在一組特定的人身上。
《紐約時報》記者丹尼斯·奧弗比（Dennis Overbye）認為，先行召開新聞發佈會，這種公開消息的過程有些譁眾取寵。他表示：“科技新聞發佈會的背後，是自負與張揚的並存。”
鬧劇結束
2014 年 6 月，也就是我們召開新聞發佈會後三個月，經過同行評議的論文發表在了 Physical Review Letters 上。我們採納了兩位匿名評審人的建議，去掉了所有我們從“普朗克”測量圖上獲得的數據。刪去數據只是對輿論的屈服。“普朗克”團隊承諾將很快解決這一問題，在未來幾個月內發佈最新的數據。
“普朗克”衛星能夠在 353 GHz 進行觀測，這一頻率幾乎只對塵埃敏感。這一頻率為消除塵埃影響而生，我們都希望“普朗克”的 353 GHz 觀測能挽回一切，量化測量圖的質量，證實我們的結論。
等待的夏天炎熱又漫長。
然而“普朗克” 353 GHz 觀測的論文，給 BICEP2 團隊無情地潑了一盆冷水。儘管“普朗克”團隊在公佈南極的測量數據時十分謹慎，
他們有關南極塵埃偏振汙染的結論卻相當直白，認為“其與 BICEP2 觀測值大小相同”。也就是說，是塵埃導致了我們所謂“暴漲理論 B 模引力波”的出現。
普朗克衛星的觀測結果，顏色表示來自星際塵埃的熱輻射
圖片來源：Shaffer Grubb
後來，“普朗克”團隊又繪製出了銀河塵埃偏振的圖像，其中包括我們觀測的南極天空。圖片十分迷人，但我們的諾貝爾獎就此煙消雲散：BICEP2 是一個非常精確的“塵埃探測器” 。
BICEP2 撤稿之後，既沒有了新聞發佈會，也沒有了網上瘋狂傳播的視頻。緊跟著，“普朗克”團隊出面清理了銀河塵埃造成的“偽 B 模偏振”。BICEP2 的觀測視野終受矇蔽：構成那片“蔽目陰雲”的，是一點恐懼，一點貪婪，和一片塵埃。
原文鏈接：
http://nautil.us/issue/59/connections/how-my-nobel-dream-bit-the-dust?utm_source=frontpage&utm_medium=mview&utm_campaign=how-my-nobel-dream-bit-the-dust
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