宇宙探索的基本动作：探索早期宇宙的竞赛

宇宙探索的基本动作：探索早期宇宙的竞赛“假设胎儿的个头每天增大一倍，九个月往后，胎儿将使妈妈倍感摧残。而国际便是这么长大着。”他说。开庆祝会那天，MIT出名的数学家和国际学家Max Tegmark也在礼堂。他把国际暴胀与孕妇肚子里的胎儿做了一个比照。矗立在南极内地上的一台望远镜——BICEP/凯克天线阵在国际微波布景辐射（国际宣告的第一束光，简称CMB）中发现一个明显的涡旋特征。科学家认为，这些叫做B模的极化信号是国际暴胀的得当信号。而恰是暴胀触发了国际大爆炸。在BICEP团队举行的发布会上，信号的发现者之一、明尼苏达大学的Clem Pryke说：“这就像在干草堆里找一根针，作用却找到了一根撬棍”。几十年来，暴胀理论虽然被广泛接受，但却从未被证实过。该理论认为，我们的国际在10的36次方分之一秒里，从亚原子大小极速胀大成一粒葡萄那么大。

探求前期国际的竞赛

BICEP/凯克天线阵和南极点望远镜的本部——乌黑领域实验室正在寻找被银河系尘土掩盖的原初引力波信号。（图画来历：STEFFEN RICHTER/HARVARD UNIVERSITY(BICEP)ESA AND THE PLANCK COLLABORATION(POLARIZATION)）

在麻省理工学院（简称MIT）的礼堂里，Alan Guth在振作的国际学家之间络绎，往他们的杯子里倒入冒着气泡的苹果酒。然后，他和Andrei Linde(暴胀理论之父)一同高举手中的酒杯，为科学的力气干杯。他们提出的那个张狂理论，现在总算有了物理实证。毫无疑问，随之而来的如同便是一枚诺贝尔奖章了。“时空涟漪提示出国际大爆炸确实凿根据，”2014年3月18日刊发的《纽约时报》封面写着这么的标题。哈佛大学、斯坦福大学，还有国际各地的大学纷乱报道参加了此项研讨的本组织的科学家们。

两位暴胀理论之父——Andrei Linde（左）和Alan Guth（右）为2014年发现B模信号而碰杯贺喜。（图画来历：STEFFEN RICHTER）

矗立在南极内地上的一台望远镜——BICEP/凯克天线阵在国际微波布景辐射（国际宣告的第一束光，简称CMB）中发现一个明显的涡旋特征。科学家认为，这些叫做B模的极化信号是国际暴胀的得当信号。而恰是暴胀触发了国际大爆炸。

在BICEP团队举行的发布会上，信号的发现者之一、明尼苏达大学的Clem Pryke说：“这就像在干草堆里找一根针，作用却找到了一根撬棍”。

几十年来，暴胀理论虽然被广泛接受，但却从未被证实过。该理论认为，我们的国际在10的36次方分之一秒里，从亚原子大小极速胀大成一粒葡萄那么大。

开庆祝会那天，MIT出名的数学家和国际学家Max Tegmark也在礼堂。他把国际暴胀与孕妇肚子里的胎儿做了一个比照。

“假设胎儿的个头每天增大一倍，九个月往后，胎儿将使妈妈倍感摧残。而国际便是这么长大着。”他说。

暴胀理论指出，这种如奇迹般的超光速添加引出了国际大爆炸。（Tegmark喜欢把大爆炸想成是 “冷冰冰地、嗖一声地胀大”。）国际的剧烈胀大带来了长达138亿年的演化——从夸克演化至原子、恒星、行星——甚至生命。

广受赞誉的国际学家Guth和Linde最早对暴胀给出了理论描写。1979年，Guth尝试用美丽的数学模型说明磁单极子的缺失疑问。这种奇特的粒子应该是国际大爆炸的商品。Guth发现，这些粒子并没有缺失，只不过因为暴胀使国际的个头活络变大，降低了它们的密度。

不过，暴胀带来的作用还不止于此。正如Guth乐于指出的，国际大爆炸理论并不真的只是关于爆炸的理论。它还描写了爆炸的作用，虽然缺少爆炸的物理进程，也没说是啥爆炸了、以及为何爆炸。

他在这个疑问上耗费了半年时间，总算在一个漫长的不眠之夜有了“惊人的体会”（他在学术论文中便是这么称号这个理论的）。

Guth的理论具体描写了爆炸进程。该理论认为，时空在一开始便遭到向外的压力——与引力抗衡的反向作用力。这个力在一会儿向外推，使国际呈指数式添加，片刻之间，胀大速度甚至超过了光速。

虽然如此，Guth的暴胀理论还不够完善。它无法说明国际怎么持续地以我们今天所见的办法胀大。在他的暴胀模型中，国际是彼此磕碰、吞并，而且无边无际的国际泡混合物。暴胀理论还需要Linde的帮忙。Guth的模型包括了国际的悉数内容，不过在1981年，Linde计算出了时空中任一点的胀大速度。他建立的模型称为随机暴胀。在这个模型里，我们的国际只是无限多维国际中的一个。

自那往后的35年里，暴胀理论也常被用来说明其它幽默的国际特性。它比其它理论都要好，可以说明时空为何是平坦的，国际中相隔悠远的两部分为何互相相似。这个理论还能重建国际的大标准结构。

简而言之，没有暴胀理论，国际的物理图景就不无缺。标准国际模型就没有了开始。

大爆炸往后的国际演化史：在10的-32次方秒，暴胀出现量子高低。在1秒时，物质与光子一再磕碰。在100秒时，国际胀大降低了磕碰的频率。在38万年，光子可以安闲翱翔，构成国际微波布景辐射。

3亿至5亿年，国际中一片乌黑。恒星和星系还没有构成。不到10亿年，第一缕星光分解了原子结构，造成了国际的再电离。138亿年，光子和电子现在又发生彼此作用。经过几十亿年的演化，国际结构构成了。将来，国际一向加快胀大，终究以冷寂告终。（图画来历：ASTRONOMY:ROEN KELLY; AFTER ESA）

尘土落定往后

可是，怎么证实如此独具匠心的理论呢？理论学家预言，这种指数式添加会留下可辨识的信号——无量的引力波。这些引力波可以曲解光的传达路径，发生B模极化信号。

可是，虽然Guth和Linde为BICEP团队发现B模信号碰杯相庆，怀疑却正在地理学界内慢慢地酝酿。有些理论学家注意到极化信号的强度比猜测值高出很多。另一些人则对BICEP团队还没把作用交给同行评定就在新闻发布会上公之于众的做法提出质疑。

“活络出现的批评首要关于BICEP团队能否差异CMB信号和尘土发生的信号，”加州大学伯克利分校的地理学家、一同也是欧洲空间局普朗克卫星项目科学家之一的Martin White说。这份怀疑后来得到了证实。普朗克卫星以较低的分辨率对更大面积的天区进行观测，终究标明BICEP团队勘探到的信号其绝大多数是银河系里的尘土发生的烦扰信号。而且不走运的是，全天绝大多数区域都被这个附近的前景信号污染了。

现在，距离各国媒体争相报道发现引力波极化信号已通以前两年时间，科学家也深信BICEP团队实在看到的是尘土，而不是暴胀。不过，去掉尘土发生的烦扰信号，剩下的信号是啥还有待断定。前期国际的B模信号会不会就藏在其间?

寻找暴胀首个根据的竞赛正在升温。现在，至少有八台仪器正在查找国际大爆炸遗留下的呢喃低语。想要找到它们，国际学家先要找出所有的障碍物。

大爆炸的余烬

BICEP团队并不是第一个被国际微波布景辐射里的信号打败的。1964年，贝尔实验室的科学家Arno Penzias和Robert Wilson在新泽西运用活络的角形天线翻开射电地理研讨。他们注意到有一个微小的噪声充溢全天，怎么都去不掉。

两个人终究排除了地球上的各种烦扰源，以及太阳，甚至银河系的影响。这个信号来自于天空遍地。

他们并不知道，就在离他们不远的普林斯顿，一个由天体物理学家构成的研讨团队，在Robert Dicke的带领下，正在准备寻找Penzias和Wilson现已发现的信号。

那时距离Vesto Slipher和爱德温·哈勃发现国际正在胀大已通以前了几十年，但有关大爆炸的争论仍在激烈地进行着。经过简略地反推，地理学家意识到，悉数国际在以前某一时间会并合在一同。

与长辈们一样，Dicke的团队从理论上证实，大爆炸在推进国际胀大时，也在国际遍地留下了微波辐射。令人难以置信的是，他们预言的辐射与角形天线勘探到的信号非常契合。两个团队一同宣布了他们的发现。Penzias和Wilson的偶然发现为他们赢得了1978年的诺贝尔奖。现在，CMB现已成了大爆炸国际学的坚实支柱。

自那往后的几十年里，科学家们认识到CMB广泛国际遍地，以大致一样的亮度向各个方向传达。

在大爆炸后38万年，国际冷却至大概3000开，而且变透明，CMB光子便是那个时期留下的遗址。而在那之前，国际就像稠密的粒子汤，安闲运动的电子和质子无法结组成氢（国际的首要构成物质）。

国际学家把这个时期叫做再复合时期，从那往后，光子便可以在空间里安闲翱翔了。所以，地理学家今天看到的每一个CMB光子都来自于近140亿年前它和电子发生终究一次磕碰的本地。

“我们制作的CMB亮度分布图闪现，光子来自于各个方向。不过，假设你再等上10亿年的话，辐射照常来自于各个方向。”戈达德空间翱翔基地的国际学家、2006年诺贝尔奖获得者John Mather说。

这种均匀性也被认为是暴胀的作用。在国际诞生后的第10的-34次方秒，火热的电离气体充溢在国际遍地，其间的团块现已被暴胀致使的活络胀大给抹平了。

不过，纤细的量子高低——高低约为十万分之一——构成了密度略有差异的区域。在引力的作用下，密度高的区域招引不断添加的物质。

它们，也即CMB亮度分布图中的斑斓，便是构成星系和星系团的“种子”。

自从Penzias和Wilson发现CMB以来，地理学家现已知道“各向异性”——CMB的纤细温度高低——是CMB光子在传达时遇到障碍物（例如前期国际的大标准结构）构成的。CMB光子需要多花一点时间才华脱节这些路障，所以它们的温度偏低一些。这些温度差异帮忙地理学家以全新的办法研讨国际，提示国际的演化前史。

光像波澜一样，以波的方法传达。假设光波沿某一个方向振荡，物理学家就称它是极化的。例如波澜的上下不坚定。地球大气层中的粒子反射太阳光，构成了我们平常看见的蓝天，被反射的太阳光也是极化的。

同样地，CMB也有纤细的极化。只不过，它的极化方向是由前期国际的物质构成抉择的。

当国际微波布景辐射（国际的第一束光）在前期与电子磕碰时发生极化，使得光子在某一个方向有纤细振荡。这一曲解图样可以告诉地理学家前期国际的物质分布情况。（图画来历：ESA AND THE PLANCK COLLABORATION）

计算曲解

1996年，斯洛文尼亚的理论国际学家Uros Seljak（现在是加州大学伯克利分校的教授）正在寻找从CMB中提取信息的新办法。他怀疑这个布景辐射仍藏有隐秘。

除了星系在大标准上发生的明显扰动外，Seljak猜测能否在CMB中找到小标准扰动。经过理论研讨，他发现假设暴胀真的发生过，剧烈的胀大会发生无量的引力波，这些波随后在国际中泛动开去。引力波还会曲解CMB光子，使后者发生一个特征旋度。假设观测者可以在CMB中看到这个旋度场，那便是暴胀发生过的物理根据了。

Seljak用代表磁场的符号B把这些理论预言的曲解称作B模信号。他还把电场的极化信号命名为E模信号。他的论文及其它研讨作用带动起一波寻找B模信号的观测浪潮。

“科学实验者确实很快就抓住了这个主见，”他说。“可是，当时的仪器还没有满意的活络度去勘探这个信号。他们花了快到20年时间，才达到了需要的活络度。”

在捕捉B模信号的观测项目中，数BICEP最是雄心勃勃。它也是第一个具有观测所需活络度的仪器。“自1997年起，查找竞赛就开始了，现在，我们总算达到了可以有科学产出的水平，” Seljak说。

Jamie Bock是帕萨迪纳市加州理工学院的一位实验国际学家。十多年前，他和一群物理学家帮忙计划和创造了BICEP。

这个团队随后对南极上空的天区进行了系统的测绘。他们的方针是测量CMB中B模信号的极化强度。他们称之为国际引力波布景。

因为纬度高、气候单调，南极内地比地球上其它任何本地都更能吸收水汽，因此成为了观测微波辐射的志向地址。

遗留的辐射

在B模信号的查找中，BICEP并不孑立，只是与之竞赛的其它仪器为了保证一同也能为更多的国际疑问供应答复而有所退让。

所以，当BICEP致力于翻开更精密的测量时，其他团队则朝相反的方向尽力。南极点望远镜（South Pole Telescope，简称SPT）和阿塔卡玛国际学望远镜（Atacama Cosmology Telescope，简称ACTPol）正在运用其无量的仪器结束大规模的CMB巡天观测。

他们的观测作用很快就会发布。“我想，这些不同的测量作用对这个研讨领域很有优点，”Bock说。

ACTPol、SPT和POLARBEAR——在阿塔卡玛荒漠翻开的另一个CMB极化勘探实验，地理学家正在用CMB来研讨国际的大标准结构，例如前期星系。当CMB光子从星系团中穿过，它们与星系团里的电离气体发生彼此作用而改变了波长。“每一个来到我们跟前的CMB光子在这一路上平均要偏折50次，” 高新ACTPol 项目负责人Suzanne Staggs说。

这使CMB成了布景光，地理学家可以根据其上的光斑为新星系团编制目录——其间一些星系团比已知的星系团还要悠远，而且更大。因此，即使地理学家找不到B模信号，他们也现已了解到前期国际中星系演化的惊人底细。

可是，这也使B模信号的勘探作业变得复杂。当极化的CMB光子穿过这些星系团时，引力透镜效应又使之发生偏折。为了获得暴胀发生的B模信号，有必要像去掉尘土信号一样，把这个信号也扣减。

当国际微波布景辐射穿过期空时，像星系团这么的大标准结构会偏折光子的传达路径。这种“引力透镜”效应给微波布景辐射增添了纤细的扰动，有助于我们了解国际的演化，可是，它们也使观测暴胀信号变得愈加困难。（图画来历：ESA AND THE PLANCK COLLABORATION）

“从现在了解到的情况看，在我看来，我们有必要在任一个天区都做这个扣减，”Staggs说。“但我们还没这么做过。那么，随之而来的疑问便是扣减它有多困难？我们能否把它完全扣减洁净。”

另一个争着寻找B模信号的项目（其成员实际上来自BICEP、SPT和其它同类项目）是一个名叫Spider的球载望远镜。它可以飞到高空，避开大多数地球大气的烦扰。2015年1月，它从南极上空飞过，搜集CMB数据。

第2次翱翔在2016年进行，它在地上望远镜的作业频段搜集信号，以便彼此比照作用。这个项目团队也很快就会发布他们的发现。

对BICEP来说，引力透镜发生的信号与他们的仪器噪音大小差不多。不过，这给了团队在竞赛中制胜的优势——因为他们的仪器是最活络的。“现在，我们正处在那个突破点，”Bock说。

阑珊的暗示

BICEP的第一代仪器采用了一个只需98台勘探器构成的阵列。不过，到了2015年的观测季，勘探器的数目现已添加到2560个，这使BICEP具有了卓越的采光才干。

可是，向来都没有任何担保保证B模信号必定存在。那是BICEP面临的实在风险。BICEP押上了悉数赌注，认为原初B模信号就像Linde的随机暴胀理论（最盛行的暴胀理论）所预言的那样存在。

所以，当2014年BICEP2在全天范围内看见了明亮的B模信号，连Bock也感到惊奇。国际学家用引力波与前期国际密度高低的比值r来衡量信号的强度。简言之，r描写了暴胀的强度。BICEP观测得到的r值为0.2——大概是预言值的两倍。这个强度被视作是支持了Linde的随机暴胀模型。这一发现发布后，国际学界响起一片欢呼声。

不过，第一批提出质疑的科学家中就有Seljak自己，而恰是他给B模信号起了这个名字。“我和其他人一样，对BICEP的作用感到非常振作，我们都在庆祝，”他说。“后来，我开始研讨普朗克卫星在其会议文会合现已发布的同类作用。”

Seljak注意到BICEP团队在作比照时运用的是过期的信息。运用普朗克卫星的新作用后， BICEP观测到的信号是国际B模信号的也许性降低了。

“我们提出了一个非常简略的疑问：假使BICEP看到的信号是尘土发生的，将会怎么？”Seljak说。“分析指出这个信号完全可以用尘土来说明。”

“实际上，作用变得越来越不可信，”他补偿道。“对BICEP和普朗克卫星的作用做的联合分析闪现，信号还是有也许是B模信号的，但现在，连这点也许性也没有了。”

不见的信号也把对随机暴胀的支持同时带走了。不过，BICEP团队仍在查找着天空。他们在95千兆赫频段盯着一块天区观测。在那块天区，比起尘土来，仪器对CMB更活络。一旦他们把这个天区的观测作用加到现有的作用中去，测量差错将会减小2倍，而且可以澄清是不是有暴胀信号。

BICEP现已在2016年发布了最新的观测作用。Bock说，在将来几年我们将会看到广泛预言的暴胀信号能否被勘探到。他们将消除r的预言值。

“假设没找到B模信号，也是很有意思的事，”Bock说。也便是说，假设仪器没找到啥，理论家将不得不返回头，说明我们对暴胀的了解在啥本地也许出错了。

在Seljak看来，暴胀理论在短期内不会被扔掉。它在说明国际方面有无量的价值。虽然如此，Seljak也说，寻找前期国际B模信号的竞赛现已排除了某些暴胀理论——尤其是现在绝大多数教科书里写的那个。“无论怎么，暴胀理论是非常有说服力的理论，”他说。“它现已有那么多预言都得到了证实。”