美科學家首次直接探測到宇宙大爆炸第一波引力波 證明愛因斯坦廣義相對論
天文學家們宣佈他們發現了他們專業領域的“聖盃”——這是時空的漣漪，宇宙大爆炸的回聲。北京時間3月18日凌晨，哈佛大學的約翰•科瓦克博士向世界宣佈，他和他的射電天文學團隊發現了來自宇宙大爆炸的第一波引力波。這一發現為天文學界兩大重要理論，即愛因斯坦的廣義相對論和解釋宇宙起源的暴漲理論，提供了關鍵證據。
位於南極的BICEP-2望遠鏡是探測宇宙引力波的重要工具
引力波是在100年前由愛因斯坦的廣義相對論所預言的一種現象，這種現象的證實將最終補上這項人類最偉大智慧成就之一的最後一片缺失的拼圖。愛因斯坦認為，萬有引力的本質是一種跟電磁波一樣的波動，即引力波。任何有質量的物體被加速時，都會發出引力波輻射。
暴漲理論則表明，138億年前，在宇宙大爆炸之後的一瞬間，時空的暴漲造就了宇宙的開端——在不到10^-34秒的時間裏，宇宙迅速膨脹。這一發現將幫助天文學家們理解宇宙如何誕生並演化出星系，恆星，星雲以及構成我們已知宇宙的幾乎空無一物的廣袤空間。若宇宙大爆炸真的發生過，科學家應該可以“聽到”宇宙膨脹時發出的引力波。
科學家們如今利用一架設在南極，名為“BICEP”的望遠鏡探測到了引力波現象。BICEP即“宇宙泛星系偏震背景成像”的英文縮寫。這台設備在南極對天空進行掃描，對一種名為“宇宙微波背景輻射”的現象進行探測，這是一種瀰漫整個宇宙的極微弱的輻射信號。它最早是在1964年由位於新澤西州美國貝爾實驗室的科學家們發現的。迄今為止，宇宙微波背景輻射(CMB)一直被認為是證明宇宙起源於一次大爆炸事件的最好證據。
宇宙微波背景輻射在宇宙大爆炸之後38萬年便出現了，到今天，其温度僅高出絕對零度3度。從其誕生之初的等離子體極高温狀態，到現在已經冷卻到幾乎快探測不到的程度。
但這種背景輻射並非完全均勻分佈。和光線一樣，這種宇宙大爆炸殘餘的輻射也由於與空間中的電子和原子之間的相互作用而存在偏振現象。
這是利用美國宇航局威爾金森各向異性探測器(WMAP)長達9年時間內積累的數據構建的詳盡的宇宙初期全天地圖。這張圖像中可以看出宇宙微波背景輻射在空間上分佈的微小不均一性
計算機模型此前已經預測了這種背景輻射應當具備的特殊偏振模式，從而使其能夠與宇宙大爆炸之後的暴漲理論相吻合。
而此次研究組不僅找到了這種偏振模式，還發現它的強度要比原先預計的更強。研究組成員，明尼蘇達大學的克萊姆•派克(Clem Pryke)在聲明中表示：“這就像是我們打算在稻草堆裏找一根繡花針，但結果卻發現了一根撬棍。”
發現引力波的第一作者科瓦克博士任職於哈佛大學-史密松天體物理中心，以下是《自然》雜誌對他的專訪：
科瓦克博士
問：在BICEP2有關宇宙微波背景輻射的數據中我們看到了什麼？
答：我們最看重的結果是我們探測到的結果對於暴漲模型的意義究竟是什麼。我們看到的是原初引力波的直接圖像，它讓光線呈現一種獨特的偏振模式。宇宙微波背景輻射是宇宙在大爆炸之後38萬年時留下的痕跡，當時輻射首次得以自由穿過空間，而引力波則是在宇宙大爆炸之後一瞬間便出現，並被疊加在了CMB的信號之中。
問：那麼這項發現還有哪些其他的重要方面？
宇宙學領域的任何人都知道，但並不都是人人贊同的一點是，要想對暴漲過程的B模形態進行預測，不僅取決於引力波現象，還有引力本身的偏振性。暴漲假設一切物質都源於量子振盪，隨後在暴漲的過程中被放大。因此從深層來説，這項發現的基礎就在於量子力學以及引力理論必須是正確的。
問：這一次在BICEP2的數據中觀察到的B模偏振性要比普朗克空間望遠鏡得到的結果高出幾乎兩倍，這一點是否有什麼問題？
答：普朗克的數據來自一張CMB的温度分佈圖，而不是直接進行的偏振性測量。我們在進行分析時一直萬分小心謹慎，但我必須承認我們的數據相比普朗克的數據顯示出的高信噪比讓我們在過去的三年時間裏一直在試圖找出所有可能導致誤差的系統性解釋。我們已經做了最充分的系統分析，那是我到目前為止做過最詳盡的這類分析工作。
問：你是在何時意識到自己可能已經找到了人們長期夢寐以求的“暴漲理論的直接證據”？
答：去年秋天，當我們首次將BICEP2的信號與BICEP1的信號進行比對的時候。那是非常有力的證據，因為 BICEP1採用了非常不同的探測器，使用了老得多的技術。我們使用兩種完全不同的儀器，採用完全不同的技術，但卻檢測到同樣的信號，這就讓懷疑的空間大大減小了。當時我們組內的最後一點質疑也終於被打消了。
12月初的時候我正在南極，我們在那裏召開了緊張的會議，我在會上展示了我們的數據已經通過的檢驗，並列出了還需要通過哪些檢驗，並決定一旦那些檢驗也全部通過，我們就要發表我們的論文。
問：當時你們慶祝了嗎？或者在那之後的什麼時候你們慶祝了嗎？
答：我在團隊中的作用就是要在任何時候保持冷靜。我想我們真正慶祝的時刻應該是在我們發表最終結果並將其介紹給科學界的時候。
問：你當初是如何對宇宙微波背景輻射的問題產生興趣的？
還是在高中時代吧，我讀了史蒂芬•温伯格(Steven Weinberg)關於宇宙學的書《最初三分鐘》，非常精彩。我立刻被它吸引了，我還記得裏面讀到的一些內容：
“現在，我們迎來一個完全不一樣的天文學，這是一個即便在10年之前都不可能被講述的故事。我們所研究的將不再是與銀河系或多或少相似的星系在數億年前發出的光，而是幾乎來自宇宙誕生之時留下，到處瀰漫的射電背景。”
這一段話是温伯格在介紹宇宙微波背景輻射的發現以及它的意義，當時對於宇宙學來説這些內容還非常新鮮。我那時還是一個孩子，我覺得這是所有的科學中最酷的一種——因為再也沒有比這更大的問題了。
我之所以選擇到普林斯頓念大學，有一部分原因是我在那本書裏看到它提過這個大學。在CMB研究領域的幾位大人物，吉姆•皮泊斯(Jim Peebles)，羅伯特•迪克(Robert Dicke)以及大衞•威爾金森(David Wilkinson)等都在這所學校。而極其幸運的是，我竟然有幸被選中在威爾金森的門下學習。威爾金森帶我走進了CMB實驗室，當時他們正計劃在南極建造一台CMB望遠鏡。我完全被迷住了，實際上我當時甚至花費了整整一年時間跑到學校外面，想靠自己的能力去南極。當時大概是1990年或1991年，就在COBE衞星首次發現CMB中的震盪起伏現象之前沒多久。我們設在南極的望遠鏡觀測到了同樣的現象，但比他們晚了一年左右。自那之後我就一直在從事這項工作，我去了南極23次，很幸運自己能在CMB研究領域的最前沿工作。
問：在你的書架上你放了一張加州理工學院已故的天體物理學家安德魯•朗吉(Andrew Lange)的照片。他在2010年由於抑鬱症自殺身亡。在他生前曾經指導過很多後來從事CMB實驗工作的學生。他在你的事業過程中起到了什麼樣的作用？
答：在我來哈佛大學之前，我曾經在加州理工安德魯的實驗室做博士後研究工作，之後又升為高級研究員。安德魯是我的良師益友。他將重大的責任賦予我，鼓勵我參與BICEP1 望遠鏡的安裝與操作，並引領我擔任下一代項目，即BICEP2的首席科學家以及第一作者的角色。
安德魯喜歡把搜尋B模偏振描述為“宇宙中最大的徒勞無益之事”。我想他一定會很高興看到我們今天的這項研究成果，並證明那並非徒勞！
我也是芝加哥大學天文學家約翰•卡爾斯特姆(John Carlstrom)的研究生。儘管現在約翰是我的競爭者，但他同時也是我最親密的朋友之一。我有兩位偉大的導師。
問：你的兒子多大了？他對於你的研究工作怎麼看？
答：我兒子9歲了。他對此感到很興奮。我對他能理解那麼多，甚至向我妻子解釋這些內容感到驚訝。等他再大一些，如果他願意的話，他也可以跟我一起到南極去。
自然雜誌網站上的視頻，三分鐘簡要介紹了暴漲理論，引力波，以及這次發現的意義。配中文字幕。