BICEP2(宇宙泛星系偏振背景成像二代)望遠(yuǎn)鏡背后的科學(xué)家們?nèi)ツ曜隽艘粋€(gè)非凡的宣稱(chēng)，他們已經(jīng)探測(cè)到引力波，亦即時(shí)空漣漪。最初這被譽(yù)為本世紀(jì)最具突破性的發(fā)現(xiàn)，但后來(lái)證明是假警報(bào)：該信號(hào)只是銀河系塵埃。

那么，我們是否有可能找到引力波？他們真能為大爆炸提供無(wú)可辯駁的證據(jù)嗎？下面是關(guān)于引力波五個(gè)常見(jiàn)的神話和誤解：

1. 挫折只是磨合期問(wèn)題

搜索引力波看起來(lái)像是才剛剛開(kāi)始，但實(shí)際上它已經(jīng)持續(xù)了幾十年而尚未成功。

引力波是巨大物體在時(shí)空結(jié)構(gòu)中通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的脈動(dòng)擾動(dòng)或稱(chēng)“波紋”。它們傳播時(shí)在亞原子尺度擠壓和拉伸物體?？茖W(xué)家們一直試圖通過(guò)觀察附近物體如何受到影響來(lái)證明引力波的存在。

1968年，美國(guó)物理學(xué)家約瑟·韋伯聲稱(chēng)他已經(jīng)用這種方式檢測(cè)到引力波，使用的是他的高深莫測(cè)的巨大鋁圓柱體組成的探測(cè)器，杯具的是這后來(lái)被證否。

如今，科學(xué)家們更喜歡用激光干涉法來(lái)尋找引力波。它的工作原理是將一束激光在垂直方向上分裂，各自通過(guò)一條長(zhǎng)距離真空管道，然后通過(guò)反射鏡反射回出發(fā)點(diǎn)，在那里放置有一個(gè)檢測(cè)器。如果光波在途中受到引力波擾動(dòng)，重組后的光束就會(huì)不同于原來(lái)的。

地面干涉儀，如激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)，有著長(zhǎng)約四公里的雙臂。未來(lái)的太空干涉儀如分赫茲干涉引力波天文臺(tái)(DECIGO)和激光干涉空間天線(eLISA)將使用跨越一百萬(wàn)公里的激光臂。這些實(shí)驗(yàn)預(yù)計(jì)將在未來(lái)十年內(nèi)發(fā)射，而一個(gè)eLISA“探路者”任務(wù)則即將發(fā)射。

2. 引力波來(lái)自早期宇宙

引力波最強(qiáng)的來(lái)源實(shí)際上是天體物理過(guò)程，它們所有時(shí)間都在發(fā)生。

這些來(lái)源中最顯著的是成對(duì)白矮星或黑洞(所謂的“雙星系統(tǒng)”)的旋轉(zhuǎn)。它們被認(rèn)為通過(guò)發(fā)射引力波而逐漸喪失能量。1974年著名的赫爾斯-泰勒脈沖雙星的發(fā)現(xiàn)表明了這一點(diǎn)。該脈沖星正以廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)的速度損失能量，提供了引力波的間接證據(jù)(但并沒(méi)有觀察到引力波本身)。

然而，科學(xué)家們也在尋找宇宙誕生后不久就產(chǎn)生的引力波，稱(chēng)為原初引力波，而它們更是難以捉摸。

3. BICEP2有一天能“看到”引力波

BICEP2的目標(biāo)之一是嘗試檢測(cè)原初引力波在宇宙微波背景(CMB)溫度中印記下的特征。該輻射包含宇宙年齡僅三十萬(wàn)年時(shí)基本粒子湯第一次發(fā)出的光線，早在第一批恒星誕生之前。

當(dāng)光波在一個(gè)特定方向上振動(dòng)，我們說(shuō)它有一個(gè)特定的偏振。如果在CMB誕生時(shí)有引力波存在，他們應(yīng)該留下一個(gè)獨(dú)特的旋渦模式–在光的偏振中的卷曲–稱(chēng)為“B?！?。

因此，B模只是引力波的間接證據(jù)。這一點(diǎn)很重要：BICEP2等實(shí)驗(yàn)無(wú)法觀察引力波本身，只能觀察它們留下的指紋。

即使獲取這些指紋也是不容易的。B模通常被塵埃發(fā)射的更強(qiáng)大信號(hào)，和混淆不同類(lèi)型偏振模式的引力透鏡效應(yīng)所掩蓋。消除這些和許多其它污染物是一個(gè)最微妙的任務(wù)，且往往依賴于其他實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

這種復(fù)雜的挑戰(zhàn)將由下一代類(lèi)BICEP實(shí)驗(yàn)解決，如阿塔卡馬宇宙學(xué)望遠(yuǎn)鏡(ACT)及其計(jì)劃中的繼任者AdvACT。他們能夠以普朗克難以企及的尺度測(cè)量CMB，還能從BICEP中學(xué)到對(duì)塵埃和其他污染物建模的寶貴經(jīng)驗(yàn)。在十年內(nèi)檢測(cè)到B模的前景看起來(lái)非常有希望。

有些人甚至猜測(cè)，通過(guò)從已知天體物理過(guò)程中減去檢測(cè)到的引力波，空間干涉儀也許能夠探測(cè)到原初引力波。

4. 引力波將會(huì)“證明”宇宙大爆炸

最早的引力波的來(lái)源不是大爆炸，而是宇宙暴漲：緊接宇宙大爆炸之后，宇宙經(jīng)歷的一段短暫的指數(shù)性膨脹。

BICEP2宣稱(chēng)發(fā)現(xiàn)了的引力波是這段宇宙加速膨脹的副產(chǎn)品。這符合廣義相對(duì)論，它預(yù)言一個(gè)加速的物體會(huì)發(fā)出引力波(類(lèi)似于加速的電荷發(fā)出電磁波)。

暴漲目前被認(rèn)為是早期宇宙的主要模式。雖然許多關(guān)鍵的暴漲預(yù)測(cè)已被驗(yàn)證，預(yù)測(cè)中存在的原初引力波仍然是難以捉摸的。如果它們被觀察到，就會(huì)直接告訴我們暴漲發(fā)生的能量規(guī)模，使我們更接近理解大爆炸。但它們不能證明大爆炸，這是一個(gè)我們還沒(méi)有理解的數(shù)學(xué)奇點(diǎn)。

5. 我們只需要一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)它們

引力波的強(qiáng)統(tǒng)計(jì)證據(jù)肯定需要一個(gè)以上實(shí)驗(yàn)。像光波一樣，引力波以一個(gè)頻譜的頻率出現(xiàn)。兩種檢測(cè)技術(shù)(B模和激光干涉)正以不同頻率尋找引力波——相差15個(gè)數(shù)量級(jí)。

最簡(jiǎn)單的暴漲理論預(yù)言了特定頻譜的原初引力波的背景，換句話說(shuō)，我們知道每個(gè)頻率的振幅應(yīng)該是什么。因此，如果科學(xué)家們能夠在兩個(gè)非常不同的頻率上發(fā)現(xiàn)引力波，這將是暴漲甚至最強(qiáng)硬的懷疑論者都很難反駁的有力證據(jù)。

那么搜索是值得的嗎？

第一代空間干涉儀會(huì)達(dá)到檢測(cè)原初引力波所需靈敏度是非常不可能的。這種信號(hào)到底像什么樣尚屬未知，而且在原則上，它對(duì)未來(lái)任何干涉儀都是遙不可及的。

然而，如果我們能夠直接探測(cè)天體引力波，這將開(kāi)辟新途徑來(lái)檢驗(yàn)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的正確性，它用來(lái)描述現(xiàn)代物理學(xué)中的引力，這一理論(在最近幾年受到了質(zhì)疑)預(yù)測(cè)了引力波的存在。

它也將提供任何其它方式都不能提供的對(duì)恒星進(jìn)化、星系和黑洞的新見(jiàn)解。

[王丟兜 via TheConversation]