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【按：目前關(guān)于這一發(fā)現(xiàn)的報(bào)道和科普文已有很多，但是不少文章（特別是新聞報(bào)道）喜歡把原初引力波比喻成“大爆炸的漣漪”。名字很美，但卻是一個(gè)誤解。其似乎在暗示，原初引力波的產(chǎn)生，如同一個(gè)本來(lái)平靜的空間，一顆炸彈爆炸所激起的沖擊波。但實(shí)際上，這很不確切。具體見(jiàn)下面第三、四節(jié)?！?br>
【一】

中文報(bào)道里用到一個(gè)詞——“原始”。這個(gè)詞的英文是“primordial”，宇宙學(xué)中一般譯為“原初”。

“原初”在宇宙學(xué)中一般是泛指“復(fù)合之前”這個(gè)階段。宇宙在大約38萬(wàn)年的時(shí)候，隨著溫度的降低，自由質(zhì)子和電子重新結(jié)合成中性原子——所謂“復(fù)合”。此時(shí)，等離子體的霧霾散去，宇宙變得透明，光可以暢行無(wú)阻。于是這些光，經(jīng)過(guò)137億年的征程，進(jìn)入我們的“眼睛”，即是所謂“宇宙微波背景輻射”——嬰兒宇宙38萬(wàn)歲時(shí)的照片。

“宇宙微波背景輻射”在1964年就被貝爾實(shí)驗(yàn)室的Penzias和Wilson發(fā)現(xiàn)了，并為二人帶來(lái)了1978年的Nobel物理學(xué)獎(jiǎng)。

【二】

在早期宇宙研究中，“原初”更進(jìn)一步特指“宇宙學(xué)暴漲”——宇宙極早期經(jīng)歷的急劇加速膨脹過(guò)程——時(shí)期。

最初，“暴漲”理論的提出，是為了解決舊的“大爆炸”理論的幾個(gè)困惑，比如：

• 今天的宇宙空間為何看上去如此平坦？
  
• 宇宙這么大，各個(gè)地方離得那么遠(yuǎn)，卻為何看上去都差不多？

而“暴漲”理論非常優(yōu)雅地解決了這兩個(gè)疑難：

• 急劇的加速膨脹——就像吹氣球一樣——把所有可能的不均勻和不平坦都抹除、拉平了。
  
• 今天的宇宙最初是一塊很小的區(qū)域，是“暴漲”把它們拉開(kāi)的；所以各部分離得這么遠(yuǎn)、卻看上去差不多，因?yàn)樗鼈冊(cè)?jīng)在一起。

【三】

但一個(gè)問(wèn)題是，既然暴漲把所有的不均勻性都抹平了，那宇宙應(yīng)該空無(wú)一物、極度乏味，可為何宇宙還確實(shí)存在“結(jié)構(gòu)”——星系、超星系、超星系團(tuán)等等？

就像大海一樣，遠(yuǎn)觀像鏡面一樣平靜，近觀卻波濤洶涌，真實(shí)的空間中也無(wú)時(shí)無(wú)刻不存在隨機(jī)的“量子漲落”。但是通常情況下，這些“漲落”卻隨起隨滅，如同電視機(jī)無(wú)信號(hào)時(shí)的雪花點(diǎn)，吵吵半天，仍然是灰白一片，什么也沒(méi)留下。

但是“暴漲”卻提供了一種“凍結(jié)”機(jī)制。就像海面的波濤，一旦涌起，就趕緊“凍”住。于是最終海面就不再是隨機(jī)的翻涌，而是如同連綿的冰山一樣，有了特定的“結(jié)構(gòu)”。同樣，空間中的“量子漲落”，產(chǎn)生于虛空，但是被暴漲所“凍結(jié)”，形成一粒粒的真實(shí)的“塵?！薄裉煊钪娼Y(jié)構(gòu)的“種子”[1]。

而這種“凍結(jié)”機(jī)制的存在，也正是因?yàn)橛钪娴摹凹铀倥蛎洝薄q“一箭雙雕”地解決了舊大爆炸的困難，同時(shí)產(chǎn)生了宇宙的結(jié)構(gòu)。也正是因?yàn)楹笳?，暴漲才成為今天早期宇宙研究的基礎(chǔ)。

暴漲把產(chǎn)生于虛空的隨機(jī)量子漲落凍結(jié)成實(shí)在，就像把隨手畫(huà)的鈔票兌換成真金白銀一樣。于是暴漲的發(fā)明者Alan Guth喜歡說(shuō)，宇宙就是一場(chǎng)免費(fèi)午餐。

【四】

回到引力波。

通常的“結(jié)構(gòu)”——星系、超星系、超星系團(tuán)，是宇宙空間中質(zhì)量“密度”的起伏。密度是空間的“標(biāo)量場(chǎng)”，而引力波——卻是空間的“張量場(chǎng)”波動(dòng)。

于是，一個(gè)更確切的說(shuō)法是，空間中無(wú)處不在的“張量場(chǎng)”的隨機(jī)漲落，在暴漲過(guò)程中被“凍結(jié)”，同時(shí)被暴漲拉伸到宇宙的尺度，形成原初引力波背景。

這些“張量場(chǎng)”的隨機(jī)漲落一直都在，其本身并不是暴漲（或是大爆炸）產(chǎn)生的。就在今天，此時(shí)此刻，我們周?chē)匀粺o(wú)時(shí)無(wú)處不存在張量場(chǎng)（包括其他各種場(chǎng)）的隨機(jī)漲落。今天的這些隨機(jī)漲落，對(duì)于我們只是“噪聲”，甚至我們都無(wú)法察覺(jué)其存在。但是在暴漲時(shí)期，這些隨機(jī)漲落被“凍結(jié)”，形成了固定的背景起伏。

【五】

描述經(jīng)典電磁場(chǎng)的Maxwell理論預(yù)言了電磁波——以光速傳播的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的振動(dòng)——的存在；描述經(jīng)典引力場(chǎng)的Einstein廣義相對(duì)論也預(yù)言了引力波——以光速傳播的引力場(chǎng)的振動(dòng)——的存在[2]。

電磁場(chǎng)的“荷”即是“電荷”，電磁波可以通過(guò)天線產(chǎn)生震蕩電流，從而被探測(cè)到。引力場(chǎng)的“荷”即是“質(zhì)量”。原則上，當(dāng)一束引力波通過(guò)，我們也會(huì)看到物體被拉伸、壓縮、扭曲。這也是引力波真正意義上的直接探測(cè)。但是，引力實(shí)在是太弱了。電磁波早在1887年即被Hertz證實(shí)，在今天的生活中也已無(wú)處不在。但是引力波，在從廣義相對(duì)論發(fā)明至今的近一百年里，卻一直沒(méi)有被直接探測(cè)到。

1974年，Hulse和Taylor發(fā)現(xiàn)了第一顆射電脈沖雙星PSR 1913+16。這個(gè)雙星系統(tǒng)軌道周期的變化與引力波輻射損耗的預(yù)言相吻合，從而間接證明了引力波的存在。二人也因此獲得1993年的Nobel物理學(xué)獎(jiǎng)。

【六】

宇宙微波背景——宇宙38萬(wàn)歲時(shí)的照片，卻記錄了原初引力波的蹤跡。

這張38萬(wàn)歲的照片，從某種意義上來(lái)說(shuō)，類(lèi)似一張3D照片。因?yàn)樗瑫r(shí)記錄了光的兩種偏振，就像觀看3D電影一樣，我們可以帶上3D眼鏡，使一只眼睛分別只看到一種偏振。

光的偏振在宇宙微波背景上的“分布”，也有兩種模式。一種叫“E模式”——因?yàn)槠淇雌饋?lái)“像”電場(chǎng)，而中學(xué)物理書(shū)里電場(chǎng)通常用E表示；一種叫“B模式”——因?yàn)槠涫恰奥菪睜畹?/b>，看起來(lái)“像”磁場(chǎng)，而磁場(chǎng)用B表示。下圖是這兩種模式的形象展示[3]：

需要強(qiáng)調(diào)的是，E、B模式是偏振“分布”的兩種模式（或者說(shuō)“偏振場(chǎng)”的兩種模式），和光的兩種偏振本身是兩回事。

問(wèn)題的關(guān)鍵在于：

• “E-模式”，可能來(lái)自密度漲落，也可能來(lái)自引力波，于是僅靠觀測(cè)“E-模式”無(wú)法確證是引力波的貢獻(xiàn)；
  
• “B-模式”，無(wú)法由密度漲落產(chǎn)生，通常認(rèn)為即來(lái)自引力波[4]。

宇宙微波背景記錄的是在此之前的信息，于是，如果在宇宙微波背景上看到了“B-模式”的偏振分布，毫無(wú)疑問(wèn)就是“原初”引力波——即在暴漲期間產(chǎn)生的引力波——的證據(jù)。

【七】

最終，2014年3月17日，美國(guó)BICEP2（Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization，宇宙超星系極化背景圖像）實(shí)驗(yàn)組[5,6]宣布以超過(guò)5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的置信度，探測(cè)到了宇宙微波背景中來(lái)自原初引力波的“B-模式”偏振模式。下圖是實(shí)驗(yàn)組文章中展示的偏振分布圖[7]：

最后，這個(gè)發(fā)現(xiàn)的科學(xué)意義（包括但不限于）：

• 支持了廣義相對(duì)論；
  
• 支持了暴漲理論；
• 支持了“微擾”量子引力；
• 確定了張量、標(biāo)量漲落幅度比值；
• 確定了暴漲的能量標(biāo)度；
• 進(jìn)一步限制了暴漲模型；
• 開(kāi)辟了引力波觀測(cè)窗口。

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附注
[1] 稍具體點(diǎn)，暴漲時(shí)期宇宙有一個(gè)特征尺度，即“哈勃尺度”。量子漲落的波長(zhǎng)被暴漲迅速拉長(zhǎng)，一旦超出哈勃尺度，量子漲落退相干，成為經(jīng)典的擾動(dòng)，從而被固定在那里。
[2] 可以參考：引力的傳播速度是光速嗎？
[3] 圖片來(lái)自http://www.skyandtelescope.com/news/Seeking-the-Cosmic-Dawn-217764581.html
[4] “B-模式”還可以有其他來(lái)源，比如引力透鏡可以將“E-模式”扭曲為“B-模式”。而這種來(lái)自引力透鏡的“B-模式”偏振分布已經(jīng)被SPT（南極望遠(yuǎn)鏡）和PolarBEAR觀測(cè)到。
[5] BICEP and Keck Array
[6] BICEP2 2014 Results Release
[7] http://arxiv.org/abs/arXiv:1403.3985