新聞背景
北京時間17日，美國哈佛-史密松天體物理中心宣布，架設在南極的宇宙微波背景輻射探測器BICEP2捕捉到了宇宙暴漲時期遺留下來的最重要的遺蹟：宇宙原初引力波。
這是愛因斯坦提出了相對論以來，人類首次直接探測到的引力波信號。從而首次在引力強場中檢驗了愛因斯坦的引力理論。另一方面，本次探測到的引力波是宇宙嬰兒時期產生的，從而在觀測上首次發現宇宙暴漲的直接證據，為極早期宇宙學的研究掀開了新的篇章。這兩層意義，無論從哪一方面講，該發現都具有諾貝爾獎級別的重大意義。
意義之一
愛因斯坦理論的波動行為被直接證實
廣義相對論的一個根本預言
我們知道，愛因斯坦在1915年提出了廣義相對論，到目前為止已經將近100年了，但仍然是最成功的引力理論。廣義相對論發表以來，已經經受了無數次的天文觀測和各種實驗的檢驗。但是幾乎所有的這些檢驗都是在弱引力場下，檢驗愛因斯坦引力和牛頓引力的微小差別。而愛因斯坦引力的效應比較明顯，需要在強引力場中才能發生，而這方面的檢驗還是非常缺乏的。
引力波是廣義相對論的一個根本預言。愛因斯坦早在1917年就根據它的場方程預言了引力波的存在。在該理論中，引力波非常類似於電磁波，也就是光。只不過光是電場和磁場的擾動傳播，而引力波卻是時間空間自身的擾動傳播。打一個形象的比喻，如果我們把時間和空間想像成湖面的話，在沒有任何擾動的情況下，湖面就是一片平靜。我們的時間空間也是一樣的，在沒有任何物質和擾動的時候，時間空間也是平直的。但是，我們向湖裡扔一塊石頭，你就會看到湖面上產生圍繞著這塊石頭的漣漪，並且這些漣漪以一定的速度向外傳播。時間空間也是類似的，當其中有物質的劇烈運動的話，也會產生時間空間的「漣漪」，這就是所謂的引力波。這種漣漪也以一定的速度向外傳播。愛因斯坦理論認為，引力波傳播的速度是和光傳播的速度一樣的，都是每秒鐘三十萬公裡。
世界上最徒勞無益的事
正如愛因斯坦當年指出的那樣，由於引力的相互作用非常弱，比我們的電磁相互作用小38個量級。因此要產生比較強的引力波非常困難。而它的探測就更加困難了。目前一般認為，能產生強引力波的只有三種情況：中子星、黑洞和宇宙誕生時期。這三個正好是宇宙中引力最強的地方，也是廣義相對論效應最明顯的地方。因此我們說檢驗引力波，就是檢驗強場中的廣義相對論。這跟以前的弱場檢驗有著根本性的區別。但是正是由於引力波非常弱，傳到我們地球就更弱了，實驗觀測起來就非常困難。因此，很多科學家都認為探測引力波是世界上最徒勞無益的事情。
1974年發現間接證據
但是在1974年的時候，事情發生了轉機。美國普林斯頓大學的泰勒和他的學生惠斯勒利用當時實際上最大的射電望遠鏡發現了一個脈衝雙星系統，該系統是由兩顆中子星互相繞轉構成的，被命名為PSR B1913+16。這是一個典型的強引力場環境。理論計算認為，該系統應該有比較強的引力波輻射。並且計算認為，由於引力波輻射，該系統由於能量損失，兩顆星會離得越來越近，繞轉得越來越快。經過多年觀測它們繞轉周期的變化，泰勒他們發現觀測和愛因斯坦理論的預言完全吻合，從而在世界上首次證明了引力波的存在。但需要特別指出，這次的檢驗僅僅是引力波的一個間接證據，儘管如此，也足以使泰勒和惠斯勒共同獲得1993年的諾貝爾物理學獎，可見引力波探測意義多麼重大。
這回直接「看到了聽到了」
而本次美國科學家利用BICEP望遠鏡，探測到的卻是直接引力波信號。和上次間接探測的意義完全不同。這次探測到的是宇宙誕生時期，由於宇宙自身的急劇膨脹被拉出視界的量子漲落，被稱為宇宙誕生的「第一聲啼哭」，因此該引力波天生地攜帶了量子力學的信息。而我們知道愛因斯坦的廣義相對論和量子理論是我們現代物理學的兩塊基石，他們有著各自的應用領域，前者主要應用於天體物理，如黑洞、中子星等緻密天體；後者主要應用於微觀世界，例如電子、質子、夸克等。但是兩個理論從根本上是不能相容。因此科學家們夢寐以求的就是找到一個兩種理論的效應都很強的研究對象。而早期宇宙正是這樣一個系統。總之，本次直接探測到了引力波信號，對愛因斯坦引力理論是一個最強有力的支持。可以這麼說，至少在經典圖像中，該理論已經基本沒有什麼問題了。單就這一點來說，BICEP工作組的這項工作就足以獲得一次諾貝爾獎了。
意義之二
暴漲宇宙學最關鍵的證據被發現
瘋狂的暴漲宇宙學假設
需要指出的是，本次探測到了引力波意義還不止於此。原因就在於，這次探測到的引力波來自於宇宙極早期。它對宇宙學的研究意義非凡。
眾所周知，我們現在宇宙學的標準模型是所謂的熱大爆炸宇宙學模型。這個模型已經經受住了無數次觀測檢驗。但是單單有熱大爆炸不足以解決所有的問題。舉個簡單的例子，我們的地球、太陽和我們自己是從哪裡來的？所有這些都離不開宇宙密度的漲落，但是這種漲落的種子從何而來？這確實是一個重大問題。當然熱大爆炸還存在其它各種各樣的疑難。因為太學術化了，我這裡就不一一列舉了。1981年，美國麻省理工學院的阿蘭古斯提出了一種暴漲宇宙學模型。這種模型認為，在熱大爆炸早期，宇宙剛剛誕生不久，不知道由於什麼原因，發生了一次速度無法想像的超級膨脹過程，通常被稱為暴漲。在這個過程中，宇宙在10的負32次方秒的時間內膨脹了至少10的20次方倍以上。這個過程結束了以後，宇宙才開始進入普通的熱膨脹階段。
缺少「兇器上的指紋」
這個想法當然非常瘋狂。普通人估計很難理解和接受。但是我需要特別說明的是，實踐是檢驗真理的唯一標準，這一條也適用於物理學：實驗和觀測是檢驗物理理論的唯一標準。無論多麼抽象，多麼不可思議的理論，只要實驗和觀測發現它是對的，那它就是成功的。
暴漲理論提出30多年以來，解決了一系列簡單熱大爆炸宇宙學遇到的疑難，同時也經受住了種種苛刻的觀測檢驗。可以這麼說，到目前為止，我們沒有發現任何偏離暴漲模型的證據。但是這還不足以證實暴漲模型。正如有人指出的那樣，你雖然在犯罪現場發現到處都是嫌疑人的指紋和足跡，但也不能給嫌疑人定罪一樣。最關鍵的是你需要在兇器上找到他的指紋。而對於暴漲理論來說，這「兇器上的指紋」就是宇宙原初引力波。如果探測不到原初引力波，我們甚至不能夠告訴暴漲具體是什麼時候發生的，這樣一個根本問題。
這一回一起「抓到了」
原初引力波的探測非常困難。雖然科學家們提出了各種各樣的探測方法。但是最有效、最有可能實現的探測，還是依賴於宇宙微波背景輻射的觀測。宇宙微波背景輻射(CMB)是宇宙在年齡為38萬年的時候形成的。當時我們宇宙中的電子和光子脫離耦合，光子背景正式形成，這就是宇宙微波背景輻射。在這個時刻，宇宙原初引力波作為時間空間自身的擾動存在，就使得光子背景中有溫度的漲落，並且還有偏振信號。特別是在偏振信號中有一類偏振被稱為B-模式的偏振。這種偏振只能由引力波來產生，而不能由別的原因產生。因此在宇宙學中，探測B-模式偏振就是等價於直接探測原初引力波。而這次BICEP望遠鏡正是首次探測到了微波背景輻射中的B-模式的偏振信號，從而探測到了原初引力波的信息。
至此，宇宙暴漲模型的最直接最關鍵的證據已經找到，可以說暴漲模型已經被證實。單從這個意義上來說，本次發現也足以獲得諾貝爾獎。
延伸閱讀
引力波天文學的未來
但是，這並不是整個故事的結局。恰恰相反，對於引力波領域來說這僅僅是一個開始。人們尋找引力已經經歷了數十年的歷史。但是一直缺乏直接的探測結果。因此，人們普遍是這樣認為的，如果在未來10年之內還是找不到引力波，那愛因斯坦的引力理論至少需要做出重大修正，因此物理學理論方面將面臨一場重大變革。相反，如果能夠找到引力波，由於這些引力波必然來自於天體物理對象，這將開拓一門新的學科，即引力波天文學（以前的所有天文觀測說到底都是基於對光的觀測），這個新的學科將利用新的探測手段，即引力來研究各種緻密的天體，包括中子星、黑洞和宇宙大爆炸等。
事實上，目前對引力波的直接探測，國際上公認的主要有三種方式，分別針對不同的引力波源——
其一，通過宇宙微波背景輻射的極化（主要是B模式的極化），來探測宇宙原初引力波，主要由歐洲與美國科學家在競爭。這次探測就屬於這種情況。
其二，通過宇宙中的脈衝星信號殘差，來探測宇宙中的超大質量黑洞產生的引力波，該領域國際上主要由澳大利亞的PPTA組、歐洲的EPTA組和美國的NANOGrav組在競爭。目前做得最好的是澳大利亞組，雖然目前尚未探測到信號，但預計在未來5-10年之內，該方法應該就能真正探測到信號。我國在建FAST望遠鏡和參與SKA計劃探測引力波，均屬於此列。
其三，雷射幹涉儀引力波天文臺，目前正在運行的主要有美國的LIGO和歐洲的VIRGO，兩個目前已完成使命，正在系統升級之中，預計2016年左右可以升級完成。升級以後，它們應該可以看到中子星或者小黑洞並和所產生的引力波輻射。此外，還有歐洲的空間雷射幹涉引力波天文臺LISA，預計2020年或者更晚一些可以發射並投入運行。
現在可以這麼說，如果這次BICEP的觀測最終被證實的話，那引力波天文學這扇沉重的大門就終於向我們打開了。可以預見，在未來，該領域必然是一片坦途。我們期待在不久的將來，它能給我們理解黑洞和宇宙誕生等宇宙中最神秘的天體和事件帶來更多的驚喜。
趙文（作者為中國科技大學天文學系教授、博士生導師）