消息更新：6月19日，相關的研究論文在《物理學評論快報》上發表。BICEP2團隊在論文中提供了證據，表明自己觀測到的B模式極化信號有可能來自宇宙誕生最初瞬間的原初引力波。但同時，他們也無法排除另外一種可能性，即這一信號部分甚至完全來自於銀河系內塵埃的幹擾。要想明確證實宇宙經歷過暴脹，還需要未來更多的觀測數據支持。
作為這次發現原初引力波的BICEP系列望遠鏡研究團隊的成員之一，應果殼網的邀請匆匆寫下這篇隨筆，希望能夠幫助大家了解如何通過觀測「宇宙微波背景輻射」來探測宇宙誕生之初產生的引力波信號，理解這個發現對於人類認知宇宙的深遠意義。當然，順便講講發現歷程背後的一點點故事。天文學的研究不僅僅是滿足天文學家自己的好奇心。匆忙奔波的生活，偶然間聽到關於這個宇宙中發生的新奇的事情，遠離塵囂，想像一下地球之外橫跨亙古的變遷，或許你會覺得是一件有趣的事情。10年來忙於各種科研工作，除了最近給《科學美國人》（Scientific American）撰寫了一篇有關銀河系費米氣泡的英文介紹外，還從來沒有認真地寫過中文的科普文章。時間有限，不妥之處請大家批評指正。這段引言是成文後加上的——對，就像科學論文總是最後撰寫論文摘要一樣——你往往會發現，計劃寫的和最終寫出來的，很多時候並不是一回事情。
2014年3月17日，哈佛－史密松天體物理研究中心的菲利普報告廳內坐無虛席，成千上萬的天文學家和公眾通過網絡直播焦急地等待著，等待著見證觀測宇宙學又一個劃時代的發現。中午12點整，項目負責人之一、我曾經的博士導師約翰·科瓦克（John Kovac）開始介紹首次發現的原初引力波信號的觀測結果，以及專門設計建造的核心探測裝置：第二代BICEP南極望遠鏡。
位於南極極點附近的第二代BICEP望遠鏡（右側建築樓頂的碗狀物），捕捉到了宇宙誕生後最初瞬間留下的印跡。圖片來源：Keith Vanderlinde/Handout/Reuters
不得不說，這是一個歷史性的時刻。在不到一天的時間裡，全球超過350萬人嘗試登陸哈佛網絡直播平臺，希望第一時間得知新聞發布會的細節，以至於哈佛完善的網絡平臺徹底崩潰——我想很少有一個科學發布會會引起幾乎整個科學界甚至公眾的震撼。作為宇宙中稀有的智慧生命的我們，窺探到了宇宙誕生後最初的一瞬間留給後人的信息——請相信我，作為智慧生命的種群，生活在這樣的一個宇宙中，真的是一件非常幸福，更是幸運的事情。
低調造訪就在新聞發布會的大約一周前，美國麻省理工學院教授阿蘭·古斯（Alan Guth）收到一封電子郵件。內容大概是這樣的：「尊敬的古斯教授，我們發現了一件有趣的事情，這個發現跟我的研究和你的研究都有關係。但是我還不能告訴你具體是什麼內容。我希望能夠儘快拜訪你——這件事還是稍微有那麼一點著急的，期盼你的回覆。另外，出於保密的原因，請不要跟任何人提起我跟你聯繫見面這件事情，謝謝。」郵件的落款人，正是哈佛大學的約翰·科瓦克。
看到這封郵件，阿蘭立刻猜到了可能會是什麼事情。這是他盼望了30多年的一個信號，一個來自於宇宙誕生時候的關鍵信號。他在1980年提出過一個關於宇宙誕生時期的理論，而那個信號正是這一理論的關鍵預言！不過，在這個時候，快70歲的阿蘭還沒有想像的那麼興奮。
實際上，人們試圖尋找這個信號已有多年時間，就算這個叫科瓦克的傢伙聲稱看到了什麼，估計也是那種好像「有點東西」，但又不那麼確定的結果。就像兩年前歐洲核子中心（CERN）發現希格斯粒子那樣，最先他們看到的也只是一個3個sigma左右的信號。這是科學家用來判定結果在統計上是否靠譜的一種說法。用聽得懂的中文來說，就是這個結果仍有千分之幾的概率可能是錯的。雖然聽起來這已經是一個很小的數字，但其實科學史上出現過很多「號稱」只有千分之幾會錯的東西，後來都證明是錯的。人們往往會過於自信地估計他們尋找到的信號的真實性。所以，對於這種往往雷聲大雨點小的信號，「久經考驗」的阿蘭已經習慣了。
見面被安排在第二天，麻省理工學院物理系古斯的辦公室。出於保密的原因，穿著低調的科瓦克悄悄地進入物理系側門，被人帶到古斯辦公室的後門。如果被人們看到行事低調、不常到麻省理工學院的科瓦克專程來找古斯，聰明的圈內人幾乎都能猜到原因——他不希望洩露任何蛛絲馬跡。科瓦克掏出他們準備發表的幾近完成論文的樣稿，古斯當時就驚呆了。
是的，這跟他當初想像的完全不一樣，這不是一個3個sigma的信號，而是超過5個sigma——這意味著，統計上出錯的概率只有大約千萬分之一。按照傳統的物理學發現的統計標準，「這就是一個發現，一個大發現！」阿蘭激動萬分，很長時間後才稍稍平靜下來，開始詢問科瓦克研究的細節。然後，他們開始商量如何把這個驚天的大發現公諸於世。
這就是後來科瓦克在新聞發布會上公布的結果：他們探測到了來自宇宙極早期暴脹過程產生的、宇宙微波背景輻射特殊的B模式極化信號。這個信號名字有點長，我們不妨簡單稱之為「B模式」。這是宇宙早期引力波存在的直接證據，是暴脹理論的關鍵性預言，其意義與發現宇宙加速膨脹一樣具有裡程碑式的意義！
3月17日，美國哈佛－史密松天體物理中心召開新聞發布會，約翰·科瓦克（右1）宣布，他們探測到了來自宇宙極早期暴脹過程產生的、宇宙微波背景輻射特殊的B模式極化信號。圖中科學家從右向左，依次為約翰·科瓦克、郭兆林（Chao-Lin Kuo）、傑米·博克（Jamie Bock）和克萊姆·派克（Clem Pryke）。圖片來源：哈佛－史密松天體物理中心
那麼，這個B模式信號到底是什麼呢？讓我們從宇宙微波背景輻射和宇宙暴脹理論談起。
宇宙微波背景輻射讓我們想像自己是兩千年前的哲學家，開始思考並詢問自己這樣的問題：我們存在的世界是如何起源的？我們從何處來？又向何處去？關於後者的回答，我想大概會貫穿人類未來文明的發展，而對於前者的追溯，考古學式的研究模式讓我們總有機會對宇宙過去發生的事情說點什麼——尤其是宇宙誕生之初，那實實在在的一瞬。
今天我們對宇宙最基本的認識就是，宇宙起源於138億年前的一次大爆炸。看過《生活大爆炸》片頭的人都知道：我們整個宇宙誕生之初溫度密度極高，隨著不斷地膨脹，宇宙慢慢地冷卻。
在最初的大約38萬年中，宇宙的平均溫度在幾萬度以上，宇宙的主要組分——質子和電子，一直處於游離狀態，沒有形成氫原子。因為它們一旦結合成氫原子，馬上就會被周圍處在「熱湯」中的高能光子打散。這樣專門拆散別人結合的光子有很多，多到每一對質子電子周圍就有幾十億個光子等著要拆散他們。所以很不幸，在漫長的數十萬年中，質子和無數電子相見，卻一直不能相聚。
然而，情況在宇宙年齡到了38萬年的時候發生了本質性的改變。此時，宇宙的平均溫度已經降到足夠低，幾十億個光子中擁有足夠能量去拆散一對質子電子的數目已經所剩無幾。同時，隨著宇宙密度的下降，光子能夠撞到電子的概率也變得微乎其微。這些為數眾多的光子突然變成了無關緊要的背景，此後幾乎不再被宇宙中發生的任何事情所影響。
這些光子在宇宙中孤獨穿行，攜帶著宇宙創生之初的關鍵信息——就像給大爆炸後38萬年的宇宙拍了一張快照。隨著宇宙的膨脹，它們的能量越來越低。直至今天，等效的輻射溫度降到大約零下270℃，正好對應於我們熟知的微波波段。這些光子，被人們稱為宇宙微波背景輻射。
可以說，上世紀60年代宇宙微波背景輻射的發現，是現代宇宙學開啟的標誌。它的發現證實了宇宙大爆炸理論，從此整個宇宙誕生以來的所有細節，變成了一門嚴肅的學科，被認真地研究和討論。然而，也正是宇宙微波背景輻射，對大爆炸理論本身提出了一道難題。
我們知道，光速是宇宙中信息傳遞的極致，兩個時空點之間如果連光都無法企及，那這兩點發生的任何事情，都應該沒有關聯才對——因為雙方都無法知道對方是什麼狀況。那麼，在宇宙誕生38萬年的時候，光一共能跑多遠呢？直觀一些講，把這個距離投影在天空中，張角不過1°左右——只有兩個滿月並排起來那麼寬。這樣，問題就來了。從天空各個方向看到宇宙微波背景輻射，原則上可以千差萬別，因為它們之間本該來不及傳遞任何信息才對。為什麼我們實際觀測的結果卻是各個方向驚人地相同呢？這就是所謂的「視界困難」。
暴脹假說正是為了解決這一難題，前面提到的阿蘭·古斯在1980年提出了這樣一種可能性：在宇宙誕生最初的時刻，時空發生過一次急速膨脹的過程——這便是暴脹理論。更具體地說，現在人們普遍認為，宇宙大爆炸之後的一瞬間，時空在不到10-34秒的時間裡迅速膨脹了1078倍（我就不用多少個億來表達這兩個數字有多極端了）。時空在這種暴脹發生之前是有信息交流的——即便後來被暴脹拉開很遠。於是，看到一致的微波背景信號也就不足為奇了。
1980年率先提出宇宙暴脹理論的阿蘭·古斯。圖片來源：Donna Coveney，麻省理工學院
有趣的是，暴脹理論還可以解釋另一件一直讓人們困惑的事情。多種不同的宇宙學測量告訴我們，今天我們身處的宇宙時空是平直的——換句話說，時空就像是拉平的一張床單。乍一看，這似乎沒什麼大不了。但稍微做一些不太複雜的計算，人們很快就認識到，要想保證今天宇宙時空大致平坦的話，宇宙誕生之初的時空就必須平坦到一個令人髮指的地步才行。宇宙要麼在誕生之初被「非常精細的微調」，不然非平坦性很容易在宇宙演化的過程中被不斷放大。這被稱之為「平直性困難」。
當然，我們可以要求宇宙非常嚴格地做到了精確平坦，這跟任何基礎物理學都不矛盾。但是物理學家不喜歡這種「不自然」的事情，總覺得應該有一些未知的規律促成了這些「奇怪」的要求。你或許已經猜到了——暴脹理論的出現正好解決了這個問題！不論暴脹之前宇宙時空是不是平坦的——哪怕它長得奇形怪狀，在時空被瞬時拉大一億億億億億億億億億倍的時候，原來的樣子你是肯定看不出來了。暴脹理論預言：宇宙的時空不僅應該是平直的，而且應該是精確平直的！今天的天文學觀測告訴我們，宇宙時空的形狀與完全平直之間的偏差，不超過千分之幾。
暴脹過程的副產品也極其有趣：人們之前一直想不明白，各向同性均勻的大爆炸，怎麼就產生了宇宙中如此豐富的結構？暴脹理論的回答是，急速的暴脹把量子尺度的微觀擾動迅速拉大到宏觀尺度，變成不可逆的密度漲落。這些漲落成為宇宙結構形成的關鍵「種子」。在引力的相互作用下，密度高的地方逐漸聚集了更多的物質，宇宙由此演化出星系、恆星、行星等結構，以及在一顆暗淡的行星上奔波的我們。
雖然暴脹的概念被提出了30多年，這個神奇得甚至有點離奇而不可想像的過程是否真的發生過，依然是一個謎團。人們找不到太多可以不採用這種假說去解釋觀測的辦法，但也沒有找到直接證據讓人們確信，在宇宙誕生的極早期，真的存在過這麼一段所謂的暴脹時期。我們對宇宙的理解，缺失了這段極其重要的信息。
原初引力波與B模式極化信號幸運的是，在眾多的理論模型中，相當多數預言了在這個暴脹時期，時空的擾動會留下一些蛛絲馬跡。根據愛因斯坦100年前天才創造的廣義相對論，暴脹的時空擾動會產生特徵性很強的引力波。因為這種引力波產生於宇宙誕生之初，人們給它起名叫——原初引力波。
宇宙暴脹理論認為，在大爆炸後極短的一瞬間，宇宙經歷了一場超快速膨脹。這一過程產生的原初引力波會在後來產生的宇宙微波背景輻射中留下可以探測的印跡。圖片來源：www.physicsworld.org
這些暴脹理論有一個最基本的假設，那就是我們對量子理論和引力理論的了解有足夠的自信。想像一下，愛因斯坦和量子論的先賢們幾乎憑空把玩出來的漂亮理論，儘管經歷了地球上近百年實驗的檢驗，但要把它們一下子推到整個宇宙誕生的一瞬間，認為在那種極端環境下它們也仍然成立。不得不說，這是一個相當相當大膽的假設。果真如此的話，我不知道愛因斯坦假如還活著會是怎樣的心情——他大概會寫出更美麗的詩句，讚美宇宙的不可思議。
如果真能探測到如理論預言般的原初引力波，我們就對基礎物理學中兩個極其重要的理論，提供了關鍵性的支持。其一是愛因斯坦廣義相對論所預言的引力波，而且來自於宇宙創世的瞬間！其二則是暴脹理論，這或許是宇宙演化歷史中最不可思議的一瞬。同時人類將擁有一個新的強大的手段，去研究地球上的粒子加速器實驗（比如著名的歐洲核子中心耗資百億歐元的大型強子對撞機）無法企及的能量。由引力波強度決定的暴脹理論所發生的時刻，將是一個前所未知的物理學嶄新的領域。
好吧，理論家說有可能存在原初引力波的信號，那麼又該如何去觀測呢？引力波作為一種擾動形式，會影響微波背景輻射的溫度漲落。你可以把它想像成水面上的一個波對另一個波產生幹擾，但是由於影響很弱，只有10%左右，不容易跟其他信號區分開來。於是，人們把目光投向了微波背景輻射的所謂偏振信號，也就是極化信號。要想更好地理解光子極化這個概念，在我丟失太多讀者之前，請允許我作一個不太恰當的比喻。
想像一下我們分手的時候（不要告訴我你沒有分手過，那我會羨慕死你的），你不會在說完最後一句話後，隨機向任意方向離開你的前男友（或者前女友）。沒錯，大多數人都會選擇180°轉身離開。如果統計足夠多的分手事例，你可以畫出「分手路徑空間分布圖」。你會發現180°離開的人，概率是最大的（我想大概沒有人真會無聊到去作這樣的統計，不過為什麼不呢）。也就是說，空間分布的各向同性被打破了，這就是極化——對方向出現了某種偏好。
還記得我們之前講到的專門拆散人家質子和電子的那些討厭的光子嗎？一樣的道理，它們最後一次跟電子碰撞之後也會攜帶電子傳遞給它的方向特性，這個極化信號穿過茫茫宇宙最終被南極的BICEP望遠鏡觀測到。眾多的光子與電子碰撞以後集體展現出來的這種方向選擇性，可以用兩個物理量描述：E模式極化和B模式極化。人們發現，B模式在足夠大的空間尺度上，只能通過原初引力波產生！於是，事情聽起來似乎變得很簡單：只要建造最好的望遠鏡，但凡看到這種特殊模式的信號——B模式極化信號，就能證明原初引力波的存在！
而這正是約翰·科瓦克和他的夥伴們10多年來一直拼命在做的事情。
約翰·科瓦克和他在南極極點附近建造的BICEP望遠鏡（科瓦克身後右手左下方建築物頂上的碗狀物）。圖片來源：哈佛－史密松天體物理中心
大爆炸的追夢人說到這裡，不妨先介紹一下我曾經的博士導師約翰·科瓦克。我第一次見到科瓦克是在2008年的初夏。當時哈佛天文系有新的教職空缺，幾百位申請人最終有5位候選人被允許來學校面試，約翰便是其中一位。第一眼看到他，我只覺得這個人一點架子都沒有，年輕帥氣健談，更像一個拖了許久沒有畢業的博士生。
面試項目眾多，其中一項是在幾乎所有在職教授挑剔的眼光中，講解自己的研究。約翰的演講非常成功。當時我還在哈佛大學讀研究生，主要研究B模式探測的理論和實驗模擬，聽懂他的報告毫無問題。報告一結束，我就找到約翰打招呼，介紹我的工作。沒想到我們聊得太起勁，不小心耽誤了他之後的面試程序。這讓我很是不好意思，於是到處拉攏小夥伴跟我一起支持約翰來哈佛任教——因為哈佛大學的教授選拔制度較為開明，研究生們對教授候選人的評價也是重要的考核標準。
最後，印象中約翰在5位候選人中排名第3。不過好在排名前兩位的人後來都沒有接受哈佛大學的教職邀請。終於，約翰於2008年秋天來到哈佛，正式打造哈佛宇宙微波背景研究團隊。我也很自然地成為入住約翰嶄新而空曠的實驗室的第一人，有機會開始跟他合作B模式探測的南極實驗。
事實上，約翰從1992年起，每一年就都要去南極，建設宇宙微波背景輻射探測裝置。今年他已經是第23次在南極的極晝期間奔赴地球之極了。南極的極晝是北半球的冬天。20多年，他幾乎沒怎麼和妻子家人一起過過聖誕節。對於西方人，尤其是基督教徒來說，這就像我們幾十年都不回家過年一樣。
幸運的是，宇宙對約翰很公平。2002年，身為研究生的他成功地在當時最先進的微波背景輻射衛星——威爾金森探測器（WMAP）得到結果之前，用設在南極極點的DASI望遠鏡，率先測量到了另一種宇宙微波背景輻射極化信號——跟B模式對應的，稱為E模式。他的這篇博士論文，最終作為封面文章，發表在了《自然》雜誌上。《自然》雜誌為了發表這篇論文，還特例打破對文章篇幅的限制。因為約翰對《自然》的編輯說，「如果你不讓我全文刊登，我就要換雜誌了。」可以說，在博士研究生畢業的時候，約翰就已經站到了宇宙微波背景輻射研究領域的最前沿。
也正是在2002年左右，約翰組建了一個20人左右的團隊，提議在南極的極點附近建設一臺名為「BICEP」的望遠鏡。BICEP的英文全拼大概可以翻譯為「宇宙泛星系偏震背景成像」。這是世界上首次專門針對搜尋原初引力波產生的B模式信號而建造的探測裝置。由於投資相對較小，科學目標又非常重要，BICEP項目很快就得到了批准。
夢圓南極極點為什麼要把BICEP千裡迢迢運到南極去觀測？
美國空軍一架LC-130運輸機起飛途中飛越設在南極極點附近的望遠鏡。圖中從左到右的望遠鏡依次是南極望遠鏡、BICEP2望遠鏡和凱克陣望遠鏡。圖片來源：Steffen Richter，哈佛大學
考慮到宇宙微波背景輻射的信號特徵，以及來自天空中其他輻射源的影響，1000－3000億赫茲的頻率是最佳的觀測窗口，這比我們平常聽的調頻廣播頻率要高几千倍。不幸的是，這個波段的電磁波會被大氣中的水蒸氣吸收，同時水蒸氣也會發射大量類似頻率的信號，極大地影響觀測。
因此，觀測宇宙微波背景輻射的望遠鏡，往往被搭建在極為乾燥的地點，比如智利阿塔卡馬沙漠的高山之巔，再比如寒冷刺骨的南極高原。雖然南極被厚厚的冰層覆蓋，但寒冷的溫度讓南極大氣中的水蒸氣含量極低。當然不考慮成本的話，也可以把探測器發射到太空中，比如美國航空航天局於2001年發射的威爾金森探測器，以及歐洲空間局於2009年發射的普朗克衛星（Planck）。
可是，南極極點不是任何時候都可以去的。2013年美國國家地理網站公布了世界上7座環境最極端的機場，排名第一的就是南極洲冰跑道。在這些機場起降不僅需要出色的駕駛技術，同時也需要過人的膽量和勇氣。
BICEP的人員和工程裝備，都要由美國空軍的C-130運輸機運抵南極洲羅斯島的美國麥克默多科考站。這裡的海冰機場可以說是最讓人恐懼的機場之一，即使在條件最好的情況下，這種簡易機場也處於不穩定狀態，給起降帶來不小難度。為麥克默多站運送物資補給的飛機一般在南極極晝剛剛開始的時候使用，此時的天氣環境比較適於飛機起降。如果海冰開始變得脆弱，這個機場將停用，而改用羅斯冰架上的另一條冰跑道起降。有時要抵達南極極點或者回來，需要花上一周的時間。
科學家會在每年南極的夏天極晝期間來到南極極點，為BICEP望遠鏡加注大量的液氦。圖為物理學家喬恩·考夫曼（Jon Kaufman）正為BICEP2加注液氦。圖片來源：Jeffrey Donenfeld
儘管條件艱苦，BICEP項目經過緊張的準備，於2005年南極的夏天正式建造，到2006年就開始採集科學數據。由於條件有限，只有在每年南極極晝期間大約3個月的時間裡，我們有機會運送給養，修復或者升級BICEP望遠鏡。這個時候我們會暫停觀測，進行緊張的工程建設——比如加注大量的液氦，把整個望遠鏡都冷卻到-270℃附近，來降低探測時的噪音。
在剩下的部分極晝以及整個極夜期間，BICEP會對一個特定的天區進行不間斷觀測，積累最長的曝光時間，提高探測數據的靈敏度。而在極夜到來之前，絕大多數BICEP成員都會撤出南極。事實上，只有一個人會留下來，我們把這個人叫做「過冬的人」（winterover），望遠鏡在整個極夜期間的運行和維護都由他來負責。這個崗位很艱苦，不僅任務艱巨，而且6個月見不到太陽的日子可不好過，因為屋子裡是寂寞和孤獨，屋子外面就是地球之極的黑暗和冰凍。
在下面的圖裡，左面房頂的「大鍋」裡是BICEP望遠鏡，右邊的大傢伙是直徑10米的「南極望遠鏡」，目標都是對宇宙微波背景輻射進行最為縝密的測量。BICEP的大鍋看起來大，其實它的作用只是遮擋來自地表的各種輻射幹擾。真正的望遠鏡口徑只有26釐米，大概還沒有你的筆記本電腦大。安裝在BICEP上的第一代儀器，從2006年觀測到2009年。此後升級的第二代儀器BICEP2，觀測效率由於探測器技術上的突飛猛進，一下子提高了近10倍！BICEP2於2008年底運抵南極觀測站，從2009年運行到了2012年。
設在南極點附近的BICEP望遠鏡和南極望遠鏡。圖片來源：哈佛大學
2008年加入約翰的研究團隊之後，我主要負責處理分析第一代BICEP望遠鏡收集的數據。其間大概畫了幾千個圖，做了各種分析手段的嘗試和改進，大量的時間是艱難而沉悶的，因為總會有意想不到的困難出現，而你必須找到有效的解決方案，不然就會影響數據分析的可靠性，以及團隊的整體進展。對分析結果的檢驗更是要進行各種嚴格而繁冗的檢查，2009年就收集完成的第一代實驗數據，為了配合BICEP的各項數據分析技術測試和交叉檢驗等要求，直到2013年10月才公布了分析結果，發表了最終的科學論文——這是此次新聞發布會之前，對宇宙原初引力波得到的最好結果。
說實話，對第一代實驗的數據分析，本該是我博士論文的題目。但論文發表時，已經是我在麻省理工學院做博士後研究的第二年了。不過，也正是由於我們在BICEP1的數據分析技術上做了非常充分的準備，對軟體和觀測儀器的理解精益求精，才使得我們對升級後的BICEP2採集的數據能夠進行迅速可靠的科學分析。2013年春天，就在BICEP2完成數據採集的第二年，合作組已經得出了初步的分析結果——當時小夥伴們都驚呆了，這是一個非零的B模式信號！！
隨之而來的，不是興奮和欣喜，更多的其實是擔心。我們真的探測到原初引力波的信號了嗎？還是說，我們有哪裡做錯了？因為幾乎誰都沒有想到，B模式信號會被第二代BICEP實驗看到，這個信號還比理論學家或者說絕大部分人的猜測都要大。BICEP2使用了當時世界上最先進的探測手段，一切都是新的，經驗不多。事實上，對儀器性能的理解一直是困擾整個研究團隊進展的關鍵瓶頸。儘管已經把所有精力都花在對儀器可能產生的影響上，面對一個出乎意料的信號，我們的心裡還是在打鼓。在詳盡地檢查所有可能的錯誤之前，誰也不敢貿然站出來宣稱如此重大的發現。
BICEP2望遠鏡下方的控制室。圖片來源：Jeffrey Donenfeld
按照通常的科學發現習慣，只有一個結果得到真正地重複和確認之後，人們才會放心地把它作為文明的一部分繼承和發展下去。科學或許是最不允許出錯的文明積累過程，公布錯誤的不嚴謹的科學發現，也會讓一個科學家失去很大的信譽，甚至成為恥辱。科學史上不止一次出現過烏龍式的「發現」，最近一次大概要屬幾年前義大利人的中微子超光速。被證實是儀器連接錯誤之後，項目負責人據說最終引咎辭職。
好吧，我們要冷靜下來，好好檢查一下到底哪裡會出問題？首要的問題就是，研究積累的數據之間是否相互一致。比如說，把3年的數據分成兩份，分別分析每一份，看得到的結果是否一致。另外，還要保證測量的結果的確是我們想測量的原初引力波信號。測量如此微弱的信號，需要極其小心地避免各種可能的、來自測量過程的影響…… 壓制著內心的那份激動，緊張而謹慎的數據分析和研究又進行了一年。
「直到我們首次將BICEP2的信號與BICEP1的信號進行比對，兩者都檢測到了同樣的信號，」就像約翰·科瓦克在接受《自然》雜誌採訪的時候說的，「這是非常有力的證據，因為與BICEP2相比，BICEP1採用的探測器非常不同，使用的技術也完全不同。這就讓懷疑的空間大大減小了。終於，我們組內的最後一點質疑也被打消了。」是的，跟BICEP1的對比分析讓合作組充滿信心，認定看到的就是真正的、來自宇宙最早期的「聲音」！
至此，繼率先發現E模式極化信號之後，南極的太陽十次東升西落，見證了一群南極極點逐夢人的圓夢時刻——每個宇宙微波背景輻射的獵手都夢寐以求而不得染指的B模式信號，被科瓦克領導的團隊發現。他一個人，成為了微波背景輻射極化信號兩種模式的發現人和領導者，可謂功德圓滿。
在南極觀測站負責維護和升級BICEP望遠鏡及凱克陣望遠鏡的部分團隊成員的合影。圖片來源：Jeffrey Donenfeld
儘管在尋找B模式信號的競賽中，BICEP2走在了最前面，但我要說的是，探索宇宙是人類的夢想，許多人在為之付出生活的全部，儘管他們中的絕大多數人，你永遠都不會聽說。其他研究小組也在地球上最好的觀測點建造各種望遠鏡，試圖尋找這個微弱的信號——包括南極大陸和智利高原，還有歐洲空間局代價昂貴許多的普朗克衛星。
按照現在的計劃，普朗克衛星將於2014年10月公布對B模式極化信號的探測結果，普朗克研究團隊的同事們都在努力讓普朗克的最終結果早日出爐。其他幾個地面的觀測實驗也將大約在1年後得到獨立的結果。所有這些實驗都在緊鑼密鼓地進行著，因為這個發現實在是太重要了，每個人都在持懷疑的態度對待這個革命性的進展。不同的聲音也在發布會之後慢慢在科學界產生，BICEP2真的看到了宇宙誕生之初的信號嗎？所有人都在等待普朗克以及其他望遠鏡的結果，他們會驗證BICEP2的發現嗎？不久的將來我們就會得到確切的答案。也期待著不久之後我們會最終自信地補上了大爆炸宇宙學這項人類最偉大智慧成就之一的最後一片缺失的拼圖——宇宙暴脹。在不久的將來，我們將在宇宙紀年表的開頭填上這樣一筆：在大爆炸創世後的一瞬間，宇宙曾經急速膨脹。
見證歷史2014 年是個有趣的年份——愛因斯坦誕辰135周年，這位科學巨人在一個世紀前提出了驚人的廣義相對論，我們開始理解這個宇宙的運行方式。同時，整整50年前的1964年，貝爾實驗室的兩位科學家兼工程師發現了宇宙微波背景輻射，人們開始窺探宇宙嬰兒時期的模樣。
BICEP2實驗中發現的微小的渦旋漲落，這是原初引力波在微波背景輻射中留下的印跡。圖片來源：哈佛－史密松天體物理中心
在哈佛－史密松天體物理研究中心一個多月前舉辦的紀念儀式上，阿蘭·古斯和宇宙微波背景的發現人之一羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）曾經暢談自己對宇宙學的貢獻，以及對未來宇宙學研究的期望。
那時科瓦克坐在大廳的一個不起眼的角落裡。可能他無數次地望向阿蘭，可那個時候的阿蘭還不知道，坐在自己不遠處的科瓦克，心裡藏著一個多麼讓人興奮的秘密，會給他執著了半生關於宇宙誕生的故事提供一個完美的答案。
回顧歷史，古斯和威爾遜最重要的貢獻都是在自己30多歲的時候做出的。他們享受著宇宙帶給人類的驚訝，他們的發現和研究也被後人傳承和發展。這就是站在地球上的我們，延續著的文明，對宇宙的理解。
記得愛因斯坦說過，宇宙中最不可理解的事情就是宇宙是可以被理解的。觀測宇宙學反覆的膨脹著人類認知宇宙的堅定信念和超乎想像的心智與技能。從仰望星空的一瞬間開始，我們就註定被感動，也註定不會停下腳步。無論直接或間接的參與其中，每個人，都生活在這蒼穹之下，每個人，都有仰望星空的權利。
可能有人會說，宇宙學的黃金時代已經過去。但在3月17號，我的微博被原初引力波信號的報導刷屏了，大家都在瘋狂地談論著。這是一個值得紀念的日子。BICEP的觀測結果告訴我們，宇宙總是充滿驚嘆，這也是她的魅力所在。我們正在經歷著人類認知宇宙的革命性時代，我們在了解過去的先賢不曾認識的宇宙，我們真的很幸運。我想，愛因斯坦也會驚訝我們對宇宙的認知可以前進到大爆炸後的那麼一瞬。無論多少次想，你都會覺得不可思議，真的不可思議。
出席3月17日新聞發布會的科學家，從右往左依次是阿蘭·古斯、安德烈·林德、郭兆林、約翰·科瓦克、羅伯特·威爾遜、傑米·博克和克萊姆·派克。如果這一發現得到其他實驗的證實，這些科學家中將出現好幾位諾貝爾獎得主。（羅伯特·威爾遜已於1978年因為發現宇宙微波背景而獲得過諾貝爾物理學獎。）圖片來源：Rick Friedman，紐約時報
得益於BICEP系列試驗最終發現了原初引力波留下的印跡，古斯在30多年前提出的宇宙暴脹假說，終於獲得了直接證據的支持。或許在不久之後，阿蘭和約翰，或許還有史丹福大學的教授安德烈·林德（Andrei Linde），會因此獲得諾貝爾物理學獎，以表彰他們對宇宙學裡程碑式的貢獻。我期待著若干年後，我們再來回顧人類對宇宙的認知歷程的時候，發生在這裡的人和事會被想起，仰望星空的感動會被後來者傳承。
最後，按照BICEP組的慣例，我將此文獻給加州理工學院已故的天體物理學家、前數學物理天文學部主任安德魯·朗吉（Andrew Lange）。他在2010年由於抑鬱症自殺身亡。他領導的宇宙微波背景氣球實驗BOOMERanG，率先證實了宇宙的時空是平直的。他生前曾經指導過很多後來從事宇宙微波背景實驗研究的重量級學者，其中就包括約翰·科瓦克。我希望朗吉能知道，搜尋B模式極化的信號不像他總開玩笑說的那樣，是「宇宙中最大的徒勞無益之事」。我們看到了這個信號，希望他也能。（編輯：Steed）
本文作者蘇萌，為美國麻省理工學院/哈佛－史密松天體物理中心研究員，曾經參與發現銀河系銀盤上下兩側的巨型費米氣泡結構，並因此獲得2014年美國天文學會頒發的高能天體物理布魯諾·羅西獎（Bruno Rossi Prize）。他也是此次宣布發現原初引力波產生的宇宙微波背景極化信號的BICEP團隊成員。他的微博ID為@哈佛蘇萌。
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