李剑龙：原初引力波的发现及来龙去脉

科学家在微波背景辐射中找到了极早期宇宙产生的原初引力波的痕迹。如果说微波背景辐射是宇宙大爆炸的回声，那么这种痕迹便是暴涨的回声。这一次，科学家证实了大爆炸中的爆炸，因为他们捕捉到了回声中的回声。

科学家通过架设在南极的天文望远镜BICEP2 发现了极早期宇宙产生的原初引力波的痕迹。

2014年3月18日凌晨（北京时间），哈佛大学史密松天体物理中心的约翰·科瓦奇（John Kovac）博士宣布，他所领导的射电天文学团队发现了来自宇宙大爆炸的引力波证据。科瓦奇的团队从隐藏在宇宙微波背景辐射（CMB）中的信息获得了这一结果。他们使用的是一台架设在南极的天文望远镜BICEP2。

科瓦奇团队对微波背景辐射中的偏振信号（像光线中存在偏振现象一样）进行了研究，他们得到一张独特的偏振图，形状就像撒在平面上的铁粉在磁场的影响下略微呈现出涡旋状的形态。科学家认为，这是极早期宇宙在快速膨胀（即暴涨）中产生的引力波扩散的证据。

剑桥大学物理学博士苗千曾经以李白的诗句"烟涛微茫信难求"来比喻引力波观测实验的困难程度，在哈佛大学史密松天体物理中心的发布会之后，李白的另一句诗"云霓明灭或可睹"则成为科学家信心大增的最贴切写照。

相对论的副产品

在牛顿的万有引力定律中，引力波并没有立足之地。1915年爱因斯坦提出广义相对论之后，引力波——这种时空框架本身的扰动——才成为"合法"的科学名词。爱因斯坦的理论抛弃了牛顿的绝对时空观，代以一种富有弹性、变化多端的时空结构。如果你把宇宙时空看作一组弹性材料搭建的巨型脚手架，任何物质和能量都可以将它附近的脚手架压弯变形。如果这种变形来得剧烈而突然，你就会看到形变像地震波一样朝着四面八方传遍整个脚手架，这就是引力波，它的传播速度等于光速。

就像爱因斯坦对宇宙膨胀和黑洞持保守态度一样，他最初对引力波也是坚决反对。1936年，爱因斯坦和他的年轻助手罗森发现了广义相对论方程组一个圆柱形的宇宙解。这种宇宙不代表我们真实的宇宙，仅仅用于研究广义相对论的特性。他们发现，虽然这种宇宙中空无一物，但却充满了时空几何的涟漪。起初他们错误地认为，这种涟漪不过是选择坐标系时人为产生的数学幻象。这就好比你在一张平展的白纸上画上一条条弯曲的网格，从远处看，白纸像是产生了凸起和凹陷，但这并不能说明白纸真的发生了形变。

爱因斯坦和罗森把论文提交给美国期刊《物理评论》，没过多久，他们就收到了匿名审稿人的拒信，因为审稿人认为引力波是真实存在的。由于当时的欧洲并不流行这种审稿机制，爱因斯坦十分沮丧，还回信给期刊编辑说："我认为没有必要回应您那位匿名专家的意见（本来就是错误的）。鉴于此，我宁愿选择在别的地方发表这篇文章。"幸好，爱因斯坦不久之后就被这位匿名审稿人——美国物理学家罗伯特逊说服了，并赶在论文在"别的地方"发表前做了修改，还诚实地感谢了他的"同行罗伯特逊教授在澄清原文中的错误时给予的亲切帮助"。

并非数学幻象

1957年，美国物理学家费曼就引力波的真实性给出了一种直观解释：如果引力波沿着垂直方向经过一根粗糙的棍子，附着在棍子表面的水珠（由于存在摩擦力，它们叫作"粘性水珠"）就会前后移动。水珠移动时会摩擦生热，温度就会升高。这说明引力波就是热源，因而必然携带能量。所以，引力波并不是数学幻象。

费曼的解释是直接探测引力波的一种标准方法。当引力波以一定方向经过架设好的引力波天线时，天线的长度就会发生些许改变。但是引力比电磁力微弱得多。想象一下，你上楼梯的时候可以利用电磁力（肌肉的生化反应）轻松抵抗整个地球施加在你身上的引力。如果想要用现有的技术直接探测引力波，我们必须期待宇宙中的中子星或黑洞发生剧烈碰撞。即便如此，引力波经过长途跋涉传播到地球上之后，也只能让数千米天线的长度发生相当于原子直径的一亿分之一的改变。与周围的噪声相比，这种信号太小了。物理学家从未以这种方式直接观测到引力波，正所谓"烟涛微茫信难求"。

2003年，为了精确检验爱因斯坦的广义相对论，澳大利亚帕克斯天文台的射电天文学家博盖对大犬座的一对双脉冲星做了细致研究。这两颗距离地球两千多光年之外的脉冲星像海岸的灯塔一样有规律地向空中发射电磁波，它们相距90万千米，每145分钟就绕对方转一圈。两个大质量高密度天体的高速旋转以极大的力量搅动周围的时空框架，应该会持续不断地发出引力波。博盖并未直接用天线观测到其中的引力波，但她发现，两颗脉冲星以每天7毫米的速