美科学家首次直接探测到宇宙大爆炸第一波引力波 证明爱因斯坦广义相对论
天文学家们宣布他们发现了他们专业领域的“圣杯”——这是时空的涟漪，宇宙大爆炸的回声。北京时间3月18日凌晨，哈佛大学的约翰•科瓦克博士向世界宣布，他和他的射电天文学团队发现了来自宇宙大爆炸的第一波引力波。这一发现为天文学界两大重要理论，即爱因斯坦的广义相对论和解释宇宙起源的暴涨理论，提供了关键证据。
位于南极的BICEP-2望远镜是探测宇宙引力波的重要工具
引力波是在100年前由爱因斯坦的广义相对论所预言的一种现象，这种现象的证实将最终补上这项人类最伟大智慧成就之一的最后一片缺失的拼图。爱因斯坦认为，万有引力的本质是一种跟电磁波一样的波动，即引力波。任何有质量的物体被加速时，都会发出引力波辐射。
暴涨理论则表明，138亿年前，在宇宙大爆炸之后的一瞬间，时空的暴涨造就了宇宙的开端——在不到10^-34秒的时间里，宇宙迅速膨胀。这一发现将帮助天文学家们理解宇宙如何诞生并演化出星系，恒星，星云以及构成我们已知宇宙的几乎空无一物的广袤空间。若宇宙大爆炸真的发生过，科学家应该可以“听到”宇宙膨胀时发出的引力波。
科学家们如今利用一架设在南极，名为“BICEP”的望远镜探测到了引力波现象。BICEP即“宇宙泛星系偏震背景成像”的英文缩写。这台设备在南极对天空进行扫描，对一种名为“宇宙微波背景辐射”的现象进行探测，这是一种弥漫整个宇宙的极微弱的辐射信号。它最早是在1964年由位于新泽西州美国贝尔实验室的科学家们发现的。迄今为止，宇宙微波背景辐射(CMB)一直被认为是证明宇宙起源于一次大爆炸事件的最好证据。
宇宙微波背景辐射在宇宙大爆炸之后38万年便出现了，到今天，其温度仅高出绝对零度3度。从其诞生之初的等离子体极高温状态，到现在已经冷却到几乎快探测不到的程度。
但这种背景辐射并非完全均匀分布。和光线一样，这种宇宙大爆炸残余的辐射也由于与空间中的电子和原子之间的相互作用而存在偏振现象。
这是利用美国宇航局威尔金森各向异性探测器(WMAP)长达9年时间内积累的数据构建的详尽的宇宙初期全天地图。这张图像中可以看出宇宙微波背景辐射在空间上分布的微小不均一性
计算机模型此前已经预测了这种背景辐射应当具备的特殊偏振模式，从而使其能够与宇宙大爆炸之后的暴涨理论相吻合。
而此次研究组不仅找到了这种偏振模式，还发现它的强度要比原先预计的更强。研究组成员，明尼苏达大学的克莱姆•派克(Clem Pryke)在声明中表示：“这就像是我们打算在稻草堆里找一根绣花针，但结果却发现了一根撬棍。”
发现引力波的第一作者科瓦克博士任职于哈佛大学-史密松天体物理中心，以下是《自然》杂志对他的专访：
科瓦克博士
问：在BICEP2有关宇宙微波背景辐射的数据中我们看到了什么？
答：我们最看重的结果是我们探测到的结果对于暴涨模型的意义究竟是什么。我们看到的是原初引力波的直接图像，它让光线呈现一种独特的偏振模式。宇宙微波背景辐射是宇宙在大爆炸之后38万年时留下的痕迹，当时辐射首次得以自由穿过空间，而引力波则是在宇宙大爆炸之后一瞬间便出现，并被叠加在了CMB的信号之中。
问：那么这项发现还有哪些其他的重要方面？
宇宙学领域的任何人都知道，但并不都是人人赞同的一点是，要想对暴涨过程的B模形态进行预测，不仅取决于引力波现象，还有引力本身的偏振性。暴涨假设一切物质都源于量子振荡，随后在暴涨的过程中被放大。因此从深层来说，这项发现的基础就在于量子力学以及引力理论必须是正确的。
问：这一次在BICEP2的数据中观察到的B模偏振性要比普朗克空间望远镜得到的结果高出几乎两倍，这一点是否有什么问题？
答：普朗克的数据来自一张CMB的温度分布图，而不是直接进行的偏振性测量。我们在进行分析时一直万分小心谨慎，但我必须承认我们的数据相比普朗克的数据显示出的高信噪比让我们在过去的三年时间里一直在试图找出所有可能导致误差的系统性解释。我们已经做了最充分的系统分析，那是我到目前为止做过最详尽的这类分析工作。
问：你是在何时意识到自己可能已经找到了人们长期梦寐以求的“暴涨理论的直接证据”？
答：去年秋天，当我们首次将BICEP2的信号与BICEP1的信号进行比对的时候。那是非常有力的证据，因为 BICEP1采用了非常不同的探测器，使用了老得多的技术。我们使用两种完全不同的仪器，采用完全不同的技术，但却检测到同样的信号，这就让怀疑的空间大大减小了。当时我们组内的最后一点质疑也终于被打消了。
12月初的时候我正在南极，我们在那里召开了紧张的会议，我在会上展示了我们的数据已经通过的检验，并列出了还需要通过哪些检验，并决定一旦那些检验也全部通过，我们就要发表我们的论文。
问：当时你们庆祝了吗？或者在那之后的什么时候你们庆祝了吗？
答：我在团队中的作用就是要在任何时候保持冷静。我想我们真正庆祝的时刻应该是在我们发表最终结果并将其介绍给科学界的时候。
问：你当初是如何对宇宙微波背景辐射的问题产生兴趣的？
还是在高中时代吧，我读了史蒂芬•温伯格(Steven Weinberg)关于宇宙学的书《最初三分钟》，非常精彩。我立刻被它吸引了，我还记得里面读到的一些内容：
“现在，我们迎来一个完全不一样的天文学，这是一个即便在10年之前都不可能被讲述的故事。我们所研究的将不再是与银河系或多或少相似的星系在数亿年前发出的光，而是几乎来自宇宙诞生之时留下，到处弥漫的射电背景。”
这一段话是温伯格在介绍宇宙微波背景辐射的发现以及它的意义，当时对于宇宙学来说这些内容还非常新鲜。我那时还是一个孩子，我觉得这是所有的科学中最酷的一种——因为再也没有比这更大的问题了。
我之所以选择到普林斯顿念大学，有一部分原因是我在那本书里看到它提过这个大学。在CMB研究领域的几位大人物，吉姆•皮泊斯(Jim Peebles)，罗伯特•迪克(Robert Dicke)以及大卫•威尔金森(David Wilkinson)等都在这所学校。而极其幸运的是，我竟然有幸被选中在威尔金森的门下学习。威尔金森带我走进了CMB实验室，当时他们正计划在南极建造一台CMB望远镜。我完全被迷住了，实际上我当时甚至花费了整整一年时间跑到学校外面，想靠自己的能力去南极。当时大概是1990年或1991年，就在COBE卫星首次发现CMB中的震荡起伏现象之前没多久。我们设在南极的望远镜观测到了同样的现象，但比他们晚了一年左右。自那之后我就一直在从事这项工作，我去了南极23次，很幸运自己能在CMB研究领域的最前沿工作。
问：在你的书架上你放了一张加州理工学院已故的天体物理学家安德鲁•朗吉(Andrew Lange)的照片。他在2010年由于抑郁症自杀身亡。在他生前曾经指导过很多后来从事CMB实验工作的学生。他在你的事业过程中起到了什么样的作用？
答：在我来哈佛大学之前，我曾经在加州理工安德鲁的实验室做博士后研究工作，之后又升为高级研究员。安德鲁是我的良师益友。他将重大的责任赋予我，鼓励我参与BICEP1 望远镜的安装与操作，并引领我担任下一代项目，即BICEP2的首席科学家以及第一作者的角色。
安德鲁喜欢把搜寻B模偏振描述为“宇宙中最大的徒劳无益之事”。我想他一定会很高兴看到我们今天的这项研究成果，并证明那并非徒劳！
我也是芝加哥大学天文学家约翰•卡尔斯特姆(John Carlstrom)的研究生。尽管现在约翰是我的竞争者，但他同时也是我最亲密的朋友之一。我有两位伟大的导师。
问：你的儿子多大了？他对于你的研究工作怎么看？
答：我儿子9岁了。他对此感到很兴奋。我对他能理解那么多，甚至向我妻子解释这些内容感到惊讶。等他再大一些，如果他愿意的话，他也可以跟我一起到南极去。
自然杂志网站上的视频，三分钟简要介绍了暴涨理论，引力波，以及这次发现的意义。配中文字幕。