专家解读原初引力波重大发现：结论待验证 探索无止境

来源：中国科学报 2014-3-19 甘晓 倪思洁

　　北京时间3月18日凌晨，来自美国哈佛大学史密森天体物理中心的科学家宣布，他们首次探测到来自宇宙大爆炸的引力波证据。美国宇航局称该成果为“迄今为止证明宇宙暴涨理论最有力的证据”。

　　“在昨晚以前，我都不太相信这么快就能探测到这么大的原初引力波扰动。”3月18日，中科院理论物理所研究员黄庆国在接受《中国科学报》记者采访时多次感慨这一成果“出人意料”。

　　这一重大发现意味着什么？它将为理论物理研究带来何种变化？中国在该领域进展如何？《中国科学报》记者就此采访了相关专家。

打开一扇窗

　　3月17日晚上，中科院高能物理所研究员张新民和同事守在电脑前，为科学家获得“暴涨理论”的直接证据兴奋不已。

　　“这是基础科学研究领域近年来的一个重大发现。”张新民告诉《中国科学报》记者。

　　宇宙起源问题一直备受关注。1932年，比利时牧师兼物理学家乔治•勒梅特首次提出现代宇宙大爆炸理论，认为宇宙由大约200亿年前发生的大爆炸形成。为解释这一模型中的难题，半个世纪后，麻省理工学院科学家阿兰•古斯提出“宇宙暴涨理论”，认为宇宙大爆炸后的极短暂时期内，曾经历过一个急剧快速膨胀的阶段。

　　而1916年，爱因斯坦在发表广义相对论时便预言了原初引力波的存在，并认为引力波会造成光线弯曲，产生特殊的B模式偏振。

　　“原初引力波会在微波背景辐射中留下痕迹，并产生所谓B模式偏振。探测B模式偏振，是对暴涨理论的重要检验。”北京大学物理学院教授范祖辉告诉记者。

　　宇宙微波背景辐射是一种弥漫在整个宇宙空间中的微弱电磁波信号。过去几十年间，科学家通过观测微波背景辐射来寻找“大爆炸”的痕迹，但一直没有测量到引力波的独特印记——Ｂ模式偏振。

　　在天体物理学家看来，此次观测到的事实一旦被确认，将成为暴涨理论的首个直接观测证据。“引力波的发现有可能帮助我们了解宇宙大爆炸后38万年内的宇宙物理规律，并开辟一个全新的研究领域——引力波宇宙学。”黄庆国说。

数据结论仍待验证

　　科学史表明，越是重大的科学发现越需要小心谨慎的验证。

　　多年来，全球多个天文台都在寻找原初引力波，包括在轨欧空局普朗克卫星、智利北部的“时空波动”望远镜。张新民相信，其他实验小组也将会尽快公布结果。

　　根据黄庆国等专家的分析，目前普朗克卫星发布的科学结果与此次哈佛大学研究人员公布的结果存在矛盾，普朗克卫星的研究结论是“没有发现引力波扰动”。“在接下来的一段时间里，这可能成为学术界新的争议点。”黄庆国说。

　　此外，普朗克探测器低频组核心成员、中科院高能物理所研究员夏俊卿向《中国科学报》记者透露，预计今年6月研究人员将公布普朗克卫星获得的结果。“从现在的情况看，来自普朗克卫星的数据与此次公布的数据存在一定差别，这一结果还需要进一步验证。”

探索永无止境

　　“我想，这应该才刚刚开始。”在黄庆国看来，探测到引力波后，科学家接下来将进一步更细致地研究引力波的性质以及由此带来的对宇宙的新认识。

　　据了解，目前国内也开始酝酿一些大的引力波探测计划。夏俊卿介绍说，中科院高能所的宇宙学研究团队正与国外实验项目开展合作，参与目前国际大型宇宙微波辐射实验项目QUBIC实验。“我们计划在南极建造望远镜测量宇宙微波背景辐射，同时高精度地测量极化B模式。”

　　黄庆国则告诉记者，目前国内在引力波研究上还存在一些问题。“国内做的人少，在国际上的声音不大，但我们仍希望能做一些独到的工作。”

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引力波和宇宙的诞生

　　1916年，爱因斯坦在其广义相对论中预言了引力波的存在可能性。迄今为止，这一现象虽被间接证实，却从未被科学家直接观测到。其主要原因在于这种效应太过微弱。此次观测到的所谓“原初引力波”，被认为是宇宙诞生时发出的引力波痕迹，其中隐藏着有关宇宙如何形成的关键信息。

　　广义相对论认为，物质和能量会造成时空的扰动，就像重物压在床垫上会凹陷一样。正是这种时空的扰动或扭曲产生了引力。所以说，引力波是携带能量穿过宇宙的涟漪。

　　关于宇宙的起源，影响深远的理论之一就是宇宙大爆炸理论，但大爆炸理论并非与所有天文观测结果相吻合。因此，又有科学家提出宇宙在大爆炸之后的短暂时期曾经历过一个急剧快速膨胀的阶段，这就是暴涨。它被认为发生在宇宙诞生后的一瞬间，但想要证明这一点极其困难。只有暴涨才能将原初引力波放大到足以被检测到的水平，因此如果科学家能探测到原初引力波，那么就意味着暴涨必定发生过。