阿兰古斯(Alan Guth)和安德烈林德(Andrei Linde)在美国麻省理工学院的报告厅中举杯欢庆科学的力量。作为暴胀理论的奠基人,他们曾经提出的疯狂理论,现在有了物理证据,诺贝尔奖似乎也会接踵而至。2014年3月18日的《纽约时报》头版报道《空间涟漪为宇宙大爆炸提供强有力证据》。美国哈佛大学、斯坦福大学和世界各地的其他大学也竞相宣布他们的科学家也参与其中。
在南极,有一架望远镜在宇宙最早的辐射——宇宙微波背景——中发现了一个明显的扭曲特征。被称为B模偏振,它被视为是证明在紧接着宇宙大爆炸之后发生过暴胀的决定性证据。这架望远镜被称为宇宙河外偏振背景成像(BICEP)/凯克阵列。
在该发现团队的公告中,团队成员美国明尼苏达大学的克莱姆普赖克(Clem Pryke)说:“这就像大海捞针,而我们却发现了一根撬棍。”
几十年来,暴胀一直是一个被广泛接受的、但仍未被证实的理论。它认为在宇宙诞生之后仅一万亿亿亿亿分一秒,我们的宇宙从亚原子的尺度膨胀到了一个柚子的大小。

麻省理工学院著名的数学家和宇宙学家马克斯泰格马克(Max Tegmark)那天也在报告厅,他将这个比喻成母亲怀着的婴儿。“每一天你的大小都会翻倍,如果你在9个月的时间里一直维持这样的状态,那你妈妈肯定就够受的了,”他说,“对于宇宙也是一样。”
暴胀理论中不可思议的超光速膨胀才是真正的“爆炸”。(泰格马克更喜欢把大爆炸本身看作是规模更小的“爆炸”。)暴胀为接下去138亿多年的宇宙演化提供了可能,从夸克到原子、恒星和行星——甚至生命。
举杯相庆的宇宙学家古斯和林德正是率先提出存在这一暴胀时期的科学家。1979年,它脱胎于优美的数学模型,当时古斯提出该模型是为了解释奇异的磁单极粒子的缺失,它们本应在大爆炸中被创造出来。古斯发现,我们的宇宙并非是缺少单极子,它们只是被暴胀的高速膨胀稀释了。
但暴胀能做的远不止于此。正如古斯所喜欢指出的,宇宙大爆炸其实根本就不是一个真正的有关爆炸的理论。它所描述的是爆炸的后果,不涉及导致大爆炸的物理机制,也无法回答是什么以及为什么发生了爆炸。
古斯花了半年的时间来研究这个问题,直到在一个漫长的夜晚,他构想出了一种“壮观的实现”。
古斯的理论在描述这个爆炸上非常特别。它认为,在一开始的时候时空具有负压强,表现为可以对抗引力的斥力。在短暂的瞬间,这个斥力发威,驱动空间在很短的时间内发生指数式的膨胀,其膨胀速度甚至可以超过光速。
然而,光有古斯的暴胀还不够。它并不能使得宇宙继续膨胀成我们现在所看到的样子。他的暴胀模型会把宇宙变成一个由碰撞和融合的泡泡所组成的无穷混合体。暴胀需要林德的帮助。古斯的模型包括了所有的宇宙,但1981年林德计算发现在任何一个地点都会发生膨胀。他的暴胀理论被称为混沌暴胀,把我们的宇宙变成无穷的多重宇宙中的一个。
35年来,暴胀已占据了宇宙学的核心位置,因为它可以解释一个又一个的有趣问题。相比其他任何的理论,暴胀能更好的解释为什么空间是平直的以及宇宙中相距遥远的地方是如何相联的。根据暴胀理论,计算机模拟可以重建出宇宙的大尺度结构。
总之,没有暴胀理论将会是物理学的一大损失。没有暴胀,标准宇宙学标型就没有了它的起点。
但是,该怎么去检验如此大胆的一个理论?理论家预测,其指数式的膨胀会以引力波的形式留下明显的印记,而这些引力波会扭曲光线,在宇宙微波背景辐射中产生B模偏振信号。
然而,尽管古斯和林德在庆祝BICEP的结果,但对这一B模发现的质疑也开始在学术界悄然发酵。一些理论家指出,观测到的偏振信号比预期的强太多。其他人则质疑该团队在没有经过同行评议就先召开新闻发布会宣布结果的做法。
“很快,质疑都集中到了BICEP团队分辨宇宙微波背景和尘埃的能力上,”美国加州大学伯克利分校的天文学家马丁怀特(Martin White)说,他也是参与欧洲空间局普朗克任务的科学家。这一怀疑被证明是有理有据的。普朗克探测器测量了天空中较BICEP所观测的更大得多的区域,但分辨率较低。它的最终结果显示,BICEP所探测到的大部分信号都受到了来自我们银河系中前景尘埃的干扰。不幸的是,这些干扰信号几乎遍布整个天空。
现在,距离国际媒体头条新闻宣布这些引力波的发现已经过去了2年,科学家也已经确信BICEP看到的是尘埃——并非暴胀。但是,就这些信号中还有什么目前仍不确定。来自时间之初的B模信号是不是有可能隐藏在其中呢?
一场寻找暴胀首个证据的竞赛正在不断升温。眼下至少有8台仪器正在搜寻大爆炸的这些细语。为了要找到它们,宇宙学家们首先要破除掉一切的干扰。

BICEP并不是第一个因宇宙微波背景的信号而感到沮丧的团队。1964年,美国贝尔实验室的科学家阿诺彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特威尔逊(Robert Wilson)在使用位于新泽西的高灵敏度喇叭天线做射电天文学研究时,他们发现在天空中有一个挥之不去的微小噪声。
两人最终排除了它来自地球、太阳甚至是我们自己的银河系。这个噪声来自四面八方。
他们不知道的是,就在距离他们不远的普林斯顿,以罗伯特迪克(Robert Dicke)为首的一组天体物理学家正在准备去搜寻彭齐亚斯和威尔逊所发现的这一信号。虽然自从维斯托斯里弗(Vesto Slipher)和埃德温哈勃(Edwin Hubble)的观测证明宇宙在膨胀已经过去了几十年,但有关宇宙大爆炸的辩论却仍在激烈进行中。只要把宇宙膨胀反过来推演,天文学家就会发现到整个宇宙都融合于一点。
如此前其他人所做的,迪克的小组认为,当大爆炸开启这一膨胀时,它必定会把微波辐射播撒遍整个宇宙。令人难以置信的是,他们所预言的辐射与喇叭天线所探测到神秘信号非常吻合。两个小组同时发表了他们的发现。彭齐亚斯和威尔逊偶然发现的信号为他们摘得了1978年的诺贝尔奖。而现在,宇宙微波背景辐射也成为了大爆炸宇宙学的坚强支柱。
从那以后几十年来,我们已经很清楚地知道宇宙微波背景辐射充满了整个宇宙,存在于所有的方向上,它们的亮度也大致相同。
宇宙微波背景中的光子是宇宙在大爆炸之后38万年变得透明时所留下的遗迹,当时的宇宙已经冷却到约3 000开。在这之前,宇宙是一锅过于浓稠的粒子汤,自由电子和质子无法结合形成宇宙中最主要的成分——氢。
宇宙学家称之为复合时期,它使得光子可以自由地在太空中穿行。因此,天文学家看到的每个宇宙微波背景光子都来自于近138亿年前它们和电子发生最后一次散射的地方。美国宇航局戈达德空间飞行中心的宇宙学家、2006年诺贝尔奖得主约翰马瑟(John Mather)说:“宇宙微波背景亮度的分布图所显示的是从每一个方向于现在抵达我们的辐射。如果你再等上10亿年,仍然会有辐射从各个方向源源不断地到来。”
这种平滑度也被认为是暴胀的产物。在宇宙诞生后0.0000000000001秒,暴胀的快速膨胀已经抹平了充满宇宙的高温电离气体中任何的团块。
但微小的量子涨落——变化幅度在十万分之一的水平上——会引入新的密度起伏。引力会把越来越多的物质吸引到稠密的区域中。它们是将来形成星系和星系团的“种子”,也在宇宙微波背景中留下了斑斑点点。