美高梅官方网站张新民告诉《中中原人民共和国科学报》新闻报道人员,整个宇宙中应该存在着这一次暴胀所产生的引力波印痕

人类对宇宙的认识出现了划时代的突破。北京时间昨天凌晨,一个美国研究团队宣布,他们通过天文观测,证实了引力波的存在,而这也是宇宙大爆炸理论获得的第一个直接证据。这一诺贝尔级的发现如获进一步证实,将是物理学界里程碑式的重大成果。

■本报记者 甘晓 见习记者
倪思洁
北京时间3月18日凌晨,来自美国哈佛大学史密森天体物理中心的科学家宣布,他们首次探测到来自宇宙大爆炸的引力波证据。美国宇航局称该成果为迄今为止证明宇宙暴涨理论最有力的证据。在昨晚以前,我都不太相信这么快就能探测到这么大的原初引力波扰动。3月18日,中科院理论物理所研究员黄庆国在接受《中国科学报》记者采访时多次感慨这一成果出人意料。这一重大发现意味着什么?它将为理论物理研究带来何种变化?中国在该领域进展如何?《中国科学报》记者就此采访了相关专家。打开一扇窗3月17日晚上,中科院高能物理所研究员张新民和同事守在电脑前,为科学家获得暴涨理论的直接证据兴奋不已。这是基础科学研究领域近年来的一个重大发现。张新民告诉《中国科学报》记者。宇宙起源问题一直备受关注。1932年,比利时牧师兼物理学家乔治勒梅特首次提出现代宇宙大爆炸理论,认为宇宙由大约200亿年前发生的大爆炸形成。为解释这一模型中的难题,半个世纪后,麻省理工学院科学家阿兰古斯提出宇宙暴涨理论,认为宇宙大爆炸后的极短暂时期内,曾经历过一个急剧快速膨胀的阶段。而1916年,爱因斯坦在发表广义相对论时便预言了原初引力波的存在,并认为引力波会造成光线弯曲,产生特殊的B模式偏振。原初引力波会在微波背景辐射中留下痕迹,并产生所谓B模式偏振。探测B模式偏振,是对暴涨理论的重要检验。北京大学物理学院教授范祖辉告诉记者。宇宙微波背景辐射是一种弥漫在整个宇宙空间中的微弱电磁波信号。过去几十年间,科学家通过观测微波背景辐射来寻找大爆炸的痕迹,但一直没有测量到引力波的独特印记B模式偏振。在天体物理学家看来,此次观测到的事实一旦被确认,将成为暴涨理论的首个直接观测证据。引力波的发现有可能帮助我们了解宇宙大爆炸后38万年内的宇宙物理规律,并开辟一个全新的研究领域引力波宇宙学。黄庆国说。数据结论仍待验证科学史表明,越是重大的科学发现越需要小心谨慎的验证。多年来,全球多个天文台都在寻找原初引力波,包括在轨欧空局普朗克卫星、智利北部的时空波动望远镜。张新民相信,其他实验小组也将会尽快公布结果。根据黄庆国等专家的分析,目前普朗克卫星发布的科学结果与此次哈佛大学研究人员公布的结果存在矛盾,普朗克卫星的研究结论是没有发现引力波扰动。在接下来的一段时间里,这可能成为学术界新的争议点。黄庆国说。此外,普朗克探测器低频组核心成员、中科院高能物理所研究员夏俊卿向《中国科学报》记者透露,预计今年6月研究人员将公布普朗克卫星获得的结果。从现在的情况看,来自普朗克卫星的数据与此次公布的数据存在一定差别,这一结果还需要进一步验证。探索永无止境我想,这应该才刚刚开始。在黄庆国看来,探测到引力波后,科学家接下来将进一步更细致地研究引力波的性质以及由此带来的对宇宙的新认识。据了解,目前国内也开始酝酿一些大的引力波探测计划。夏俊卿介绍说,中科院高能所的宇宙学研究团队正与国外实验项目开展合作,参与目前国际大型宇宙微波辐射实验项目QUBIC实验。我们计划在南极建造望远镜测量宇宙微波背景辐射,同时高精度地测量极化B模式。黄庆国则告诉记者,目前国内在引力波研究上还存在一些问题。国内做的人少,在国际上的声音不大,但我们仍希望能做一些独到的工作。背景链接引力波和宇宙的诞生1916年,爱因斯坦在其广义相对论中预言了引力波的存在可能性。迄今为止,这一现象虽被间接证实,却从未被科学家直接观测到。其主要原因在于这种效应太过微弱。此次观测到的所谓原初引力波,被认为是宇宙诞生时发出的引力波痕迹,其中隐藏着有关宇宙如何形成的关键信息。广义相对论认为,物质和能量会造成时空的扰动,就像重物压在床垫上会凹陷一样。正是这种时空的扰动或扭曲产生了引力。所以说,引力波是携带能量穿过宇宙的涟漪。关于宇宙的起源,影响深远的理论之一就是宇宙大爆炸理论,但大爆炸理论并非与所有天文观测结果相吻合。因此,又有科学家提出宇宙在大爆炸之后的短暂时期曾经历过一个急剧快速膨胀的阶段,这就是暴涨。它被认为发生在宇宙诞生后的一瞬间,但想要证明这一点极其困难。只有暴涨才能将原初引力波放大到足以被检测到的水平,因此如果科学家能探测到原初引力波,那么就意味着暴涨必定发生过。《中国科学报》
(2014-03-19 第1版
要闻)更多阅读时评:原初引力波发现的四大意义《自然》专访大爆炸引力波证据发现者美国科学家将宣布引力波重大发现美科学家找到宇宙大爆炸决定性证据

世界性的关注与无人比肩的声誉随之而来,人们预测宇宙暴胀理论最初的提出者,麻省理工学院的物理学家阿兰·古斯与刚刚取得决定性实验证据的南极观测团队的领导者约翰·科瓦奇将是下一届诺贝尔物理奖的最热门人选,但是整个物理学界可能仍然需要一段时间才能真正认识到这个实验证据的发现给宇宙学与理论物理学研究所带来的深远影响。

诞生于上世纪80年代的宇宙大爆炸理论,是目前关于宇宙如何诞生、星系如何演化的主流理论解释,但遗憾的是无法通过实验的方法证实。由美国哈佛大学史密松天体物理中心牵头组成的研究小组,借助设在南极的大型射电天文望远镜,观测到了宇宙“婴儿期”那场大爆炸在时空中泛起的“涟漪”。确切地说,138亿年前的宇宙大爆炸引发了一股巨大的引力波,并在当前的宇宙微波背景辐射图上留下了独特印记;而科学家们观测到的,正是这股萦绕百亿年的“爆炸回响”。

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物理学迎来划时代发现,大爆炸理论首获决定性证据 获知宇宙最初的那一刻

宇宙暴胀模型解释了人们对于宇宙现状的很多疑问,但是这个模型需要真正的宇宙学观测数据来证实。如果尚处在婴儿时期的宇宙真的在短时间内发生了一次指数级的暴胀,那么根据广义相对论的预测,整个宇宙中应该存在着这次暴胀所产生的引力波痕迹。引力波与电磁波的形式相似,它是一种空间的褶皱,在空间中以光速传播,对空间自身进行挤压或是拉伸。但是引力波的效应太过微弱,此前,人们对于这种仅仅存在于理论中的引力波是否能真正被实验探测到,或是它是否真正存在都一直有疑虑。但是,宇宙学家有可能探测到宇宙暴胀时期所产生的引力波存在的证据,这种证据就是它在宇宙微波背景辐射中造成的偏振现象。早在1996年,就有宇宙学家预测,这种太初的引力波可能使宇宙微波背景辐射产生B模式偏振,这是一种漩涡状的偏振现象,如果可以探测到这种现象,不光将是引力波存在的直接证据,也将是对宇宙暴胀理论最有力的支持。

美高梅官方网站张新民告诉《中中原人民共和国科学报》新闻报道人员,整个宇宙中应该存在着这一次暴胀所产生的引力波印痕。图片说明:位于南极的BICEP2望远镜观测到了宇宙“婴儿期”那场大爆炸泛起的“涟漪”。
图片来源:哈佛大学史密松天体物理中心网站

这个宇宙学的最新发现,迅速在全世界引起了巨大反响。美国加州理工学院的理论物理学家肖恩·卡罗尔说:“除非是找到了地球以外的生命或是发现了暗物质的本质,没有比这更为伟大的宇宙学发现了。”美国麻省理工学院的物理学家、诺贝尔物理奖得主弗兰克·维尔切克评论道,“大胆与极简主义的胜利”;他随后又评论道,“大自然的品位很不错”。

原中国引力与相对论天体物理学会理事长、上海师范大学天体物理研究中心主任李新洲告诉记者,这一发现不仅为宇宙大爆炸理论提供了决定性证据,同时也首次证实了爱因斯坦广义相对论中最重要的预言——引力波的存在,进一步夯实了广义相对论的地位。李新洲说,它堪称一个世纪以来最伟大的物理学发现。(文汇报记者
史博臻 张懿)

现在还有一些宇宙学家在等待着欧洲空间局发射的普朗克卫星在太空中获得的最新数据对南极观测小组的数据进行确认,这个由多个研究机构合作而首先发现的观测结果一旦被科学界所证实和承认,不仅将是近年来宇宙学研究最重要的发现之一,它对于基础物理学研究的影响将更为深远。宇宙在诞生之初,处于一个量子态,而暴胀现象则一下将这个处于量子态的宇宙拉伸至宏观领域,这个领域则是广义相对论所适用的领域。目前,量子力学与广义相对论存在着深刻的矛盾,B模式偏振的发现,把目前物理学界不可调和的两大支柱——量子力学和广义相对论紧紧地联系在了一起。引力波的存在,说明引力可以被量子化,“引力子”正是引力场被量子化之后的产物,人们也许可以在时间的开端寻找结合这两种分别描述微观与宏观现象的理论的结合点。

正是利用这种具有极高精度,可以分辨一千万分之一开尔文温度差别的射电望远镜,并且排除了在宇宙中引力透镜现象和宇宙尘埃对于观测数据的影响,约翰·科瓦奇的团队以相当高的可信度宣布,他们在宇宙微波背景辐射中发现了太初引力波存在的证据,这个发现,堪称宇宙学研究中的“圣杯”。

美高梅官方网站,哈佛-史密森天体物理学中心对外发布科学新闻,其实更早之前,“哈佛-史密森天体物理学中心即将对外发布新闻”的消息就已经使整个物理学界充满了兴奋、激动和期待。物理学家们对这条新闻的内容已经事先猜测得八九不离十,果然,一组由多个研究机构的科学家组成的观测小组在南极利用射电望远镜观测,他们分析了近几年的观测数据后,终于正式宣布在宇宙微波背景辐射中发现了其中的B模式偏振现象,这与此前天体物理学家的理论预测完全相符,可以说他们找到了支持宇宙暴胀理论最为有力的实验证据。

宇宙学家们此前已经可以认定,我们的宇宙诞生于大约138亿年前的一次宇宙大爆炸,时间与空间,一切自此开始。在1964年,美国射电天文学家阿诺·彭齐亚斯与罗伯特·威尔逊共同发现了宇宙大爆炸在现今宇宙中的回响——宇宙微波背景辐射,这使得大爆炸成为宇宙学研究中被公认的基础理论,他们也因此获得了1978年的诺贝尔物理奖。但是人们对于宇宙的早期经历仍然充满好奇,一个起源于一次大爆炸的宇宙是如何成长为如今空荡荡的、平坦的宇宙?为什么宇宙的各处物质分布非常均匀?为什么宇宙空间的曲率非常低?针对这些疑问,阿兰·古斯在1990年大胆提出“宇宙暴胀”模型,根据这个模型,宇宙在大爆炸后很短的时间内,经历了一次指数级的“暴胀”,这次暴胀发生的原因、持续时间现在还不清楚,这次暴胀的能量随后转化为宇宙中的普通物质与辐射,也正是这次暴胀造就了一个各处均匀的、空间曲率极低的宇宙。

约翰·科瓦奇所领导的宇宙微波背景辐射探测小组正是为了探测在宇宙微波背景辐射中的这种B模式偏振现象,他们选择在远离电磁干扰的南极探测站,利用BICEP2射电望远镜进行观测。要探测到这种极其细微的偏振现象,探测器必须极其灵敏,并且可以分辨出偏振的模式。实际上,即使没有太初引力波的存在,宇宙微波背景辐射自身也会产生某种程度的偏振现象,这种偏振首先被DASI望远镜观测到,但是并不能作为支持暴胀理论的证据。相比于前任,在2006至2008年间进行探测的只有49个探测器的BICEP1望远镜,在2010至2012年间进行探测的BICEP2探测器由512个超导探测器构成,在经过了3年的探测后,科学家们把所得到的探测数据与此前BICEP1得到的实验数据进行了比较。科学家们把利用BICEP2得到的探测数据绘制成一个宇宙中某一区域的微波背景辐射的偏振地图,并且把偏振分解为E模式和B模式。宇宙中的其他信号,以及在观测过程中的干扰,都会在宇宙微波背景辐射中产生E模式的偏振,但是只有太初引力波的影响才会同时产生E模式与B模式的偏振,这才使得此次对于B模式偏振的观测数据与结论显得格外令人信服。

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