李剑龙：原初引力波的发现及来龙去脉

度相互靠拢。这是因为引力波带走能量之后，两个天体在各自的引力作用下相互跌落。天文学家就是以这种方式间接检验了爱因斯坦的引力波。

除了大质量天体产生的剧烈扰动之外，宇宙在诞生之初也会产生一种引力波，这就是史密松中心探测到的原初引力波。原初引力波的提出基于一系列观测结果和理论假设，有点儿像名侦探柯南在证据不充分时对案件做出的缜密推理。我们知道，哈勃在1929年时利用星系红移的数据发现宇宙正在膨胀。反过来想，早期的宇宙必然比现在体积更小，温度和密度更高，它会像太阳表面一样发出夺目光芒。随着宇宙后来的膨胀，这种无处不在的光芒被迅速稀释，波长也被拉伸到了微波波段，这就是1964年发现的微波背景辐射。正是这个发现第一次证明了宇宙始于一场"大爆炸"。

暴涨

微波背景辐射的波谱可以画成一条能量分布曲线，这是宇宙中最完美的一条曲线，就像你闭上眼睛随手一画，就在黑板上画出一条完美的正圆来。这种情况太罕见，太不可思议了，许多物理学家相信如果不是某种力量有意为之，那么一定有一种物理机制可以做出解释。1980年代初，当时还在读博士后的阿伦·古斯提出，这条曲线在最初的一刻可以是不完美的，但是在宇宙极早期（10的负33次方秒之内）的一场超快速膨胀将其中的不完美迅速稀释掉了，所以才留下一条表面上看来十分完美的曲线。如果你能够放大曲线的局部，就会在其中看到十万分之一级别的细微不完美。果然，1990年代发射升空的COBE卫星在微波背景辐射中发现了这种不完美，正是宇宙中存在不完美的地方，才使得原始的云气可以凝聚成星系和恒星，才有现在的人类。

古斯以当时最流行的经济现象通货膨胀命名了他的理论，我们现在称为暴涨（二者的英文都是"inflation"）。暴涨是一场比大爆炸更为离奇的爆炸，它的持续时间极为短暂，只有不到10的负33次方秒，却至少可以将宇宙中的任何一处空间放大10的60次方倍。原先如一个分子大小的空间会变得像银河系一样广阔，而原先如豌豆大小的空间会变得比我们现在所能观测到的宇宙还要浩渺。

原初引力波

因此，在宇宙极早期，原本在极微小的尺度上起伏不定的引力场涨落随着暴涨在一瞬间被放大到宏观尺度，这就是原初引力波。原初引力波搅动了时空中的物质，微波背景辐射产生时，物质又搅动了其中的光子，使之拥有一种特殊的分布模式。如果说微波背景辐射是大爆炸的回声，那么这种特殊的分布模式便是暴涨的回声。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。

由于这个推理过程涉及了引力波、暴涨机制和量子引力等诸多待定理论或现象，史密松中心的发现大大鼓舞了物理学家，尤其是理论物理学家的信心。这个发现比探测脉冲星轨道变化更为直接，进一步说明引力波是真实存在的；这个发现第一次找到了暴涨机制的直接证据，排除了一批试图绕过暴涨机制来解释微波背景辐射波谱的替代理论；这个发现给出了暴涨模型应该具备的具体特征，为将来新模型的建立提供了依据。

这个发现还说明，科学家将广义相对论与量子力学结合起来的努力是合理的，量子引力是一个正确的研究方向。有理由相信，随着数据的进一步积累，人类对于宇宙极早期的认识会越来越丰富。或许有一天，一个终极理论开始显现，正如天姥山的"云霓明灭或可睹"。

（本文来源：南方周未 作者 李剑龙 系物理学博士）