反彈宇宙學(xué)圖像

　　COBE、WMAP、Planck三代衛(wèi)星拍攝的宇宙微波背景輻射各向異性溫度漲落

　　宇宙源自138億年前的一次爆炸，而后立即經(jīng)歷了一場(chǎng)極度快速的膨脹——暴脹過(guò)程，隨后逐漸膨脹至今。這一直是用來(lái)解釋宇宙形成的主流科學(xué)理論。

　　然而今年上半年，《科學(xué)美國(guó)人》雜志搞了點(diǎn)事情。來(lái)自普林斯頓大學(xué)和哈佛大學(xué)的科學(xué)家撰文表示，宇宙源自一次大反彈而非大爆炸，暴脹理論無(wú)法令人滿意。此舉無(wú)疑在學(xué)界扔下了一枚重型炸彈。包括4位諾貝爾獎(jiǎng)得主在內(nèi)的33位科學(xué)家立即聯(lián)合簽署了一封公開(kāi)信，對(duì)其進(jìn)行駁斥。

　　宇宙到底源自大反彈還是大爆炸？這場(chǎng)爭(zhēng)論的雙方都是知名科學(xué)家。對(duì)于看熱鬧的公眾來(lái)說(shuō)，選擇“站隊(duì)”之前，不妨先了解兩種宇宙形成理論都討論了什么。

　　窺視嬰兒期的宇宙 

　　宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)，為熱大爆炸宇宙學(xué)提供了關(guān)鍵的證據(jù)。而在微波背景輻射譜上極為微小的起伏，讓人們有機(jī)會(huì)了解宇宙嬰兒時(shí)期的樣貌。

　　在現(xiàn)代宇宙學(xué)的發(fā)展歷程中，宇宙微波背景輻射（CMB）的故事絕對(duì)是場(chǎng)重頭戲。早在20世紀(jì)40年代，天文學(xué)家伽莫夫等人提出了熱大爆炸宇宙學(xué)說(shuō)。該學(xué)說(shuō)預(yù)言：宇宙存在一個(gè)背景溫度，它便是由CMB——來(lái)自宇宙嬰兒期的光線帶來(lái)的。

　　到了20世紀(jì)60年代，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的兩位工程師利用無(wú)線電波天線探測(cè)到了這個(gè)穩(wěn)定而又均勻的微波背景信號(hào)。這一發(fā)現(xiàn)在天文學(xué)史上留下了濃重的一筆，因?yàn)樗鼮闊岽蟊ㄓ钪鎸W(xué)說(shuō)提供了最關(guān)鍵的證據(jù)。不過(guò)當(dāng)時(shí)，人們認(rèn)為CMB在各個(gè)位置、各個(gè)方向上都是完全相同的，嬰兒期的宇宙均勻得毫無(wú)特征。

　　第一次真正揭開(kāi)CMB神秘面紗的，當(dāng)數(shù)美國(guó)宇航局于1989年發(fā)射的宇宙背景探測(cè)者（COBE）衛(wèi)星。這枚衛(wèi)星不僅精確測(cè)量了CMB黑體輻射譜從而驗(yàn)證了熱大爆炸學(xué)說(shuō)，而且在背景溫度為2.73開(kāi)氏度的黑體譜上發(fā)現(xiàn)了漲落幅度大約為10-5開(kāi)氏度的溫度漲落，進(jìn)一步擴(kuò)展了人類認(rèn)知宇宙的視野。

　　如果說(shuō)原初核合成與2.73開(kāi)氏度的CMB黑體譜一并證實(shí)了宇宙在童年時(shí)期的成長(zhǎng)歷程，那么CMB譜上這些微小的各向異性溫度漲落則為認(rèn)知宇宙在原初嬰兒時(shí)代的樣貌提供了一扇窗口。

　　在之后的二十多年間，美國(guó)宇航局的威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP）衛(wèi)星和歐洲空間局的普朗克（Planck）衛(wèi)星相繼發(fā)射升空。它們不僅使得CMB天圖的分辨率有了巨大提高，還讓人類能夠接近大爆炸奇點(diǎn)這個(gè)物理理論的“禁區(qū)”。

　　在順利通過(guò)諸多高精度天文實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)后，熱大爆炸學(xué)說(shuō)晉級(jí)為現(xiàn)代宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)理論模型。它描述的基本圖像為：大約138億年前，我們的宇宙創(chuàng)生于一個(gè)時(shí)空奇點(diǎn)的大爆炸。在漫長(zhǎng)歲月的洗禮下，它從極高溫的混沌狀態(tài)開(kāi)始演變，逐漸形成基本粒子、核子，然后經(jīng)過(guò)原初核合成產(chǎn)生氫和氦的原子核。之后約38萬(wàn)年，宇宙中形成穩(wěn)定的中性氫原子與早期CMB。接著在原初密度漲落的影響下，又逐漸形成由宏觀物質(zhì)構(gòu)建起來(lái)的大尺度結(jié)構(gòu)雛形。到了宇宙4億歲時(shí)，第一代恒星終于形成，而最早的星系和類星體則誕生于大爆炸后約十億年。從那以后，由星系和星系團(tuán)等構(gòu)成的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)開(kāi)始形成。最終，我們的宇宙演化到當(dāng)前由暗能量驅(qū)動(dòng)的加速膨脹狀態(tài)。

　　宇宙需要一個(gè)奇點(diǎn)嗎 

　　在包含暴脹過(guò)程的熱大爆炸宇宙學(xué)中，密度極大、溫度極高的奇點(diǎn)不可避免。而反彈宇宙圖像中，宇宙先是收縮，然后反彈進(jìn)入熱大爆炸膨脹階段，避免了讓科學(xué)家頭皮發(fā)麻的奇點(diǎn)問(wèn)題。

　　宇宙的故事并非看起來(lái)這么簡(jiǎn)潔明了，當(dāng)反演宇宙演化到剛剛呱呱墜地的嬰兒時(shí)期，熱大爆炸學(xué)說(shuō)本身就面臨著初始條件選取的困難。比如說(shuō)，是什么導(dǎo)致了今天的宇宙在大尺度上均勻各向同性，而又具有各種星系、星系團(tuán)等結(jié)構(gòu)？故事的開(kāi)端——大爆炸奇點(diǎn)真的存在嗎？那一刻宇宙發(fā)生了什么？人類在與熱大爆炸學(xué)說(shuō)如此匹配的CMB黑體譜上發(fā)現(xiàn)了微小的各向異性溫度漲落，又意味著什么？

　　暴脹學(xué)說(shuō)，是一款為描述宇宙在原初時(shí)期動(dòng)力學(xué)而量身打造的宇宙學(xué)圖像。它認(rèn)為，在大爆炸后約10-36秒到10-32秒短暫的時(shí)間內(nèi)，宇宙的單位空間尺度被放大約1080倍。這相當(dāng)于瞬間把亞原子尺度的空間擴(kuò)張到了太陽(yáng)系尺度，這樣可以抹平原初宇宙可能存在的不均勻性，于是很自然地解釋了我們今天看到的均勻宇宙。不過(guò)，本該存在于微觀世界的量子漲落也被拉扯到了宏觀尺度上，導(dǎo)致了CMB溫度漲落與原初密度擾動(dòng)的產(chǎn)生，也為大尺度結(jié)構(gòu)的形成埋下了種子。

　　換句話說(shuō)，從我們今天看到的CMB溫度漲落，到星系、恒星、地球，乃至我們自己，都是由嬰兒時(shí)期宇宙中的量子漲落演化而來(lái)。因此，在暴脹學(xué)說(shuō)中當(dāng)前宇宙的均勻性以及大尺度結(jié)構(gòu)的形成得到了十分自然的解釋，我們不再需要為熱大爆炸宇宙設(shè)定各種苛刻的初始條件。

　　然而，大爆炸奇點(diǎn)在暴脹學(xué)說(shuō)中依然是不可避免的。這意味著，暴脹本身是不完整的理論：我們不知道暴脹如何開(kāi)始，也不知道在暴脹之前發(fā)生了什么。在這個(gè)背景下，一系列替代理論應(yīng)運(yùn)而生，其中最具代表性的就是反彈宇宙學(xué)。

　　實(shí)現(xiàn)反彈宇宙圖像的理論模型有很多，例如加拿大麥吉爾大學(xué)的羅伯特·布蘭登伯格教授與英國(guó)樸茨茅茨大學(xué)的大衛(wèi)·沃茲于1999年提出物質(zhì)反彈模型、中國(guó)科學(xué)院高能所張新民研究員及其團(tuán)隊(duì)于2007年提出的精靈反彈模型等。在筆者和多位同事的多年努力之下，藏在這些模型背后的反彈宇宙學(xué)擾動(dòng)理論逐漸成型，并揭示了反彈學(xué)說(shuō)同樣可以解釋熱大爆炸宇宙學(xué)所面臨的初始條件疑難。在這類理論圖像中，大爆炸之前的宇宙處于一個(gè)收縮過(guò)程，體積越來(lái)越小，直到某一時(shí)刻宇宙收縮到一個(gè)極小值，然后反彈進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)的熱大爆炸膨脹階段。由此可見(jiàn)，反彈學(xué)說(shuō)的提出，不僅繼承了熱大爆炸宇宙學(xué)的成功之處，還避免了那個(gè)會(huì)讓宇宙學(xué)家頭皮發(fā)麻的時(shí)空奇點(diǎn)。因此，它進(jìn)一步推動(dòng)了熱大爆炸宇宙學(xué)的理論發(fā)展。

　　驗(yàn)證起源學(xué)說(shuō)，原初引力波說(shuō)了算 

　　CMB中的原初B模偏振可以幫助構(gòu)建宇宙最初的模樣。但人類一直沒(méi)有找到它?？茖W(xué)家已在智利和南極展開(kāi)或規(guī)劃CMB觀測(cè)，我國(guó)阿里原初引力波望遠(yuǎn)鏡也將瞄準(zhǔn)這一“宇宙級(jí)”問(wèn)題。

　　宇宙在極早期所經(jīng)歷的究竟是哪一種過(guò)程呢？暴脹，反彈，抑或二者的結(jié)合？對(duì)于研究極早期宇宙的物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，一個(gè)至關(guān)重要的任務(wù)就是通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)區(qū)分。上述模型給出的理論預(yù)言，正好可以通過(guò)對(duì)CMB的高精度測(cè)量來(lái)加以檢驗(yàn)。

　　由于宇宙早期光子與電子會(huì)發(fā)生湯姆森散射，CMB光子不僅攜帶著前文提到的黑體譜和溫度漲落的信息，還會(huì)有偏振狀態(tài)，它們形成兩種截然不同的圖樣：電場(chǎng)型E模式和磁場(chǎng)型B模式。

　　宇宙學(xué)家在研究CMB的偏振漲落時(shí)發(fā)現(xiàn)，原初宇宙中的張量擾動(dòng)（即原初引力波）可以直接導(dǎo)致CMB擁有B模式的偏振信號(hào)。換言之，尋找原初引力波的B模偏振，能為極早期宇宙的研究提供線索。

　　這一發(fā)現(xiàn)正式打響了利用精確宇宙學(xué)實(shí)驗(yàn)探索、檢驗(yàn)原初宇宙圖景的發(fā)令槍。宇宙學(xué)家曾試圖利用WMAP、Planck等衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)將近15年的數(shù)據(jù)，來(lái)重構(gòu)出原初擾動(dòng)、甚至原初宇宙的模樣。但遺憾的是，截至目前CMB中的原初B模偏振仍然沒(méi)有被直接觀測(cè)到。

　　近年來(lái)研究人員轉(zhuǎn)向性價(jià)比更高、維持運(yùn)行更長(zhǎng)期更穩(wěn)定的地面CMB觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。迄今已經(jīng)建造和規(guī)劃中的地面CMB偏振實(shí)驗(yàn)，集中在智利和南極，而北半球是空缺的。

　　為了推進(jìn)中國(guó)宇宙學(xué)在CMB領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究，中國(guó)科學(xué)院高能所的宇宙學(xué)團(tuán)隊(duì)牽頭，聯(lián)合國(guó)內(nèi)外多所頂級(jí)宇宙學(xué)研究單位，正在我國(guó)西藏阿里地區(qū)建造北半球首個(gè)CMB極化望遠(yuǎn)鏡，即阿里原初引力波望遠(yuǎn)鏡（AliCPT）。

　　該項(xiàng)目計(jì)劃2020年在阿里天文臺(tái)海拔5250米處建成阿里一號(hào)望遠(yuǎn)鏡并開(kāi)始觀測(cè)，在北天區(qū)率先實(shí)現(xiàn)對(duì)原初引力波的探測(cè)。與此同時(shí)，阿里計(jì)劃還會(huì)與南半球的CMB實(shí)驗(yàn)合作，形成一南一北，對(duì)原初引力波觀測(cè)進(jìn)行全天區(qū)覆蓋。