检验暴涨

by Shea on 六月 19, 2009

Eric Hand 文 Shea 编译

随着普朗克探测器和地面以及气球实验的不断推进,它们对于支配着宇宙大爆炸之后不久的暴涨来说意味着什么呢?

宇宙空间是寒冷的。但欧洲空间局的普朗克探测器甚至更冷。在“普朗克”的心脏,一张轻薄的丝网被悬挂在近乎真空之中,而那里的温度也由太空中最先进的制冷系统冷却到了0.1开。这张类似蜘蛛网的丝网将会收集来自宇宙微波背景辐射——宇宙创生的余辉——的光子。

对于要极其精确地测量宇宙微波背景辐射的“普朗克”而言,超低温的工作条件是必需的。宇宙中最年老的原初光子会以平均2.7开的温度穿行在宇宙中的每一个角落。而来自天空中不同位置的光子的温度又会有着非常非常细微的差异。

“普朗克”上的超低温探测器就是设计来以小于百万分之一开的精度探测这些温度涨落的。它的设计者说,这一无以伦比的精度意味着,一旦发射——已于2009年5月14日发射——在2年的寿命里“普朗克”将能解决困扰天体物理界整整一代人的问题。“我们不得不更加地深入,而‘普朗克’则是我们的最佳选择,”荷兰的“普朗克”项目科学家简·陶伯(Jan Tauber)说。

陶伯说,近30年来,暴涨理论一直主导着宇宙学家的思绪,这一理论试图解释紧接着大爆炸之后宇宙是怎样演化的。到目前为止暴涨已经通过了所有的观测检验,这些检验主要是通过卫星来观测并且验证由暴涨理论所预言的宇宙微波背景中温度变化的统计特性。但是“普朗克”对于这些温度变化的超高灵敏度将会为暴涨理论“套”上目前最紧的束缚——要么支持暴涨理论,要么就否定它,进而转向其他理论。

在现代宇宙学中暴涨确实非常重要。因此对于“普朗克”这个价值6亿欧元、重达2吨的超低温探测器而言,它还有着十几个地面和气球上的竞争对手。大家的目的都是相同的,那就是精细地测量宇宙微波背景辐射。“这是一场激烈的竞赛,”美国芝加哥大学的宇宙学家迈克尔·特纳(Michael Turner)说,“人人都想得到那块瑞典的金牌。”

一臂之力

如果没有暴涨的推动,大爆炸只能产生非常小的宇宙。为了调和量子理论和宇宙学,物理学家们乐于相信原初宇宙始于直径10-35米。但这样一来就会导致矛盾。现在宇宙的年龄已经被可靠地定在了137亿年。如果宇宙诞生的时候确实如科学家希望的那么小并且还以目前的膨胀速率膨胀的话,那么它现在的大小将比这句话末尾的句号还要小得多得多。

暴涨通过在宇宙诞生的最初时刻的剧烈膨胀解决了这一显而易见的矛盾。很难用语言来形容这一膨胀有多迅猛,但是作为一个例子,在一个简单的暴涨模型中同样一个近乎无穷小的宇宙可以膨胀到101,000,000,000,000米。这个数字相当于1后面跟了一万亿个“0”。而且做到这一点它只需要耗时一万亿分之万亿分之万亿分之一秒。就算是光也赶不上这个速度。从大爆炸至今光子可以运动到的最远距离——被称为视界距离——大约为1027米。(这并不和相对论矛盾。在暴涨过程中位于同一点的两个粒子会具有大于光速的相对速度,而这个速度是整个宇宙膨胀的速度。)

除了解释宇宙的大小以外,暴涨还干净地解决了许多问题。它解释了为什么宇宙在几何上是平直而非弯曲的——想象一个被吹得非常大的气球,它的表面看上去就像一个非常大的平面。它还解释了从各个方向上看去都迥然不同的宇宙为什么又是如此的相同——有着相同的平均星系密度和微波背景温度。

最重要的是,暴涨解释了星系的存在。尽管暴涨使得处于婴儿期的宇宙变得几近彻底平直和真空,但是暴涨也必须遵循量子力学的旨意,它会使得密度在不同的地方出现极其微小的涨落。因此宇宙中的某些地方最终会具有比其他地方更高的密度。这些高密度区就是星系和恒星引力坍缩的种子。诸如2001年发射的美国宇航局威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)的早期观测证明,微波背景辐射中不仅存在涨落,而且这些涨落的大小分布与暴涨预言的精确相符。

测量宇宙

当20世纪60年代第一次发现宇宙微波背景辐射的时候,它只不过是天空中一片均匀的辐射。但是现在为了精确宇宙学而建造的一系列空间探测器却揭示出微波背景中从未有过的惊人细节。“去年的发现就可以为今年的实验提供校准,”诺贝尔奖得主、宇宙背景探测器(COBE)的首席科学家乔治·斯穆特(George Smoot)说。其中重要的三个探测器和它们的观测结果(“普朗克”的为模拟结果)为:


[图片说明]:COBE及其观测结果。版权:NASA。

宇宙背景探测器(COBE):1989年发射。通过比较大片的天区,COBE发现了微波背景在大角度上的温度差异。这一各向异性——1/100,000的量级或者30微开——包含了星系的种子。


[图片说明]:WMAP及其观测结果。版权:NASA/WMAP SCIENCE TEAM。

威尔金森微波各向异性探测器(WMAP):2001年发射。WMAP在更小的角度下测量了微波背景。它的灵敏度和角分辨率分别是COBE的45倍和33倍。和其他的观测相比,WMAP提供了关于宇宙年龄和组成的最佳限制。


[图片说明]:PLANCK及其模拟的观测结果。版权:ESA。

普朗克探测器:2009年发射。“普朗克”将是第一个携带辐射热测定器——超灵敏的温度计——的微波背景辐射探测器。“普朗克”的灵敏度和角分辨率分别是WMAP的10倍和3倍,这使得它可以间接地测量引力波。

列举未知

然而除了能解决一些问题之外,暴涨也有自身的问题。从本源上讲,没有人知道是什么驱动了暴涨。理论物理学家们用场来描述这个驱动“力”并且给了它一个名字——暴涨子,但是问题依旧。同样的问题也困扰着研究暗能量的天文学家,暗能量占据了宇宙组成的四分之三并且正在使得宇宙加速膨胀。造成暴涨的东西是否有可能是形成暗能量的幕后“黑手”?虽然两者有很有趣的相似性,但是却作用在差距巨大的尺度上。如果说其中一个跳蚤的话,那么另一个就是大象。“它们看起来似乎不太可能彼此相关,”特纳说。“这也正是要研究它的原因,”他顽皮地补充说。

按照美国普林斯顿大学物理学家保尔·斯坦因哈特(Paul Steinhardt)的说法,暴涨存在的一个更大的问题并不在于它是什么而是它是如何停下来的。“暴涨一旦开始就没办法停下来,”斯坦因哈特说。他是20世纪80年代暴涨理论的奠基人之一,但是现在他却成了暴涨最主要的批评人之一。没有明显的理由可以解释为什么超高速的膨胀会减弱到我们今天观测到的膨胀速率。


[图片说明]:暴涨宇宙的时间线。版权:NASA/WMAP SCIENCE TEAM。

这一无法停止的暴涨对于斯坦因哈特的同事兼竞争对手、美国斯坦福大学的物理学家安德雷·林德(Andrei Linde)来说是一根“肉中刺”。[现在美国麻省理工学院的艾伦·古思(Alan Guth)在1980年第一个提出了暴涨理论,林德、斯坦因哈特以及斯坦因哈特那时的研究生也和古思一起建立发展了这个理论。]

到1986年,林德研究发现,由于量子涨落,宇宙中的一些地方可能会比其他地方受到更强的暴涨力的作用。这就会形成一个个的“鼓包”。但是由于暴涨巨大的作用力,这些“鼓包”会迅速膨胀成一个新的、完整的宇宙,这样一个宇宙会和原来的宇宙通过一个量子尺度的“管道”相连接。对于原来宇宙的居民来说,这一连接因为太小而无法被看到,他们永远也不会知道在他们的前面还诞生了一个新的宇宙。对于新诞生宇宙中的居民来说,他们看到的就像是一次新的大爆炸。就像分形,宇宙可以萌发出另一个宇宙。就像林德称呼它的,“多重宇宙”会一直持续下去。

但是在林德看到永不停息的宇宙创生之树的地方,斯坦因哈特却发现了树上的蛀虫。如果新的宇宙在不断地涌现,那么早先的宇宙就将成为孤岛。此外,可以想象每一个新出现的宇宙都会拥有不同的物理定律,因此理论物理学家无法知道支配着我们这个宇宙的物理规律是否也同样适用于其他的宇宙。“我们所看到的宇宙是独一无二的,”斯坦因哈特说。

暴涨还有第三个问题。暴涨并不是一个描述一切是如何开始的理论,它描述的是在一切都开始之后发生的事情。它是一个“事后”的理论。

在暴涨中,大爆炸本身仍然是一个不可知的、密度无穷大的时空奇点。“最大的弱点是我们避开了宇宙学中的奇点,”加拿大圆周理论物理研究所主任尼尔·图罗克(Neil Turok)说,“这就像‘把钟稍微往后播一点然后再让它走’一样。”

斯坦因哈特指出“大爆炸”一词最早是由弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)提出的,而霍伊尔本人却是这一理论的坚实反对者,发明这个词是为了嘲讽宇宙啪地一下犹如从魔术师的手中突然就此出现一样。但同样讽刺的是,这个词就此便流传了开来。“有些人喜欢存在创生时刻的这个想法,”斯坦因哈特说。

但是他本人却不是他们中的一分子,图罗克也不是。2001年,这两个物理学家提出了新的“火劫”理论。这个理论来源于弦理论,在弦理论中我们所处的世界是至少10维的宇宙中的一张低维膜。斯坦因哈特和图罗克认为两个分立的三维膜会沿着垂直的维度前后震荡,就像是挂在两条平行晾衣绳上的床单。每一万亿年左右,在每个宇宙都陷入了膨胀所造成的黑暗之后,两个膜就会彼此靠近并且碰撞,碰撞释放出一个火球进而使得每个宇宙“重生”。“这意味着大爆炸并不是开端而是碰撞,”斯坦因哈特说。

避免奇点

火劫理论包含了许多暴涨的重要特征,但是也有一些关键的不同。根据它的定义,避免了奇点的出现,因为膜的碰撞是一个连续的过程。“我们必须解决从头到尾的所有问题,”图罗克说,“而暴涨则回避了这一问题。”图罗克说,弦理论使得他可以在避免奇点的情况下来描述宇宙创生的时刻。

林德说,当他看到这个理论的时候,他就相信它了。但他也指出了火劫理论中的数学问题,并且使得它的提出者对他们的原始想法进行了修改。林德偶尔会向弦理论学家寻求帮助,但是他说他现在很难让他们对新的暴涨理论产生兴趣。在过去的5年中所取得的最大进展就是弦理论学家在他们的工作和暴涨之间最终建立起了联系。但林德又说,火劫理论“有点像是空中楼阁”。

而绝大多数的理论物理学家会说,暴涨仍然是目前最好的理论。但是和斯坦因哈特以及图罗克一起工作的美国哈佛大学博士后丹尼尔·鲍曼(Daniel Baumann)说,暴涨“也应该受到挑战”。在最近发表的一篇论文中,作为第一作者的鲍曼和其他人一起研究了暴涨理论和它的变体之间的异同。

林德说,年龄因素在这场争论中也起到了作用。他说,年轻的科学家不想把自己的职业生涯耗费在完善一个已经存在的理论上。他们想自己引发一场革命——就像他自己在30岁出头的时候提出暴涨一样——然而那些建立起暴涨理论的人肯定会捍卫它。但是这并不能解释诸如图罗克以及尤其是做为暴涨理论创建者之一的斯坦因哈特的行为。而根据美国普林斯顿大学天体物理学家、WMAP小组成员大卫·斯珀格尔(David Spergel)的说法,这是个性使然。“有人喜欢制造混乱,”他说,“也有人喜欢把它弄干净。”

理论变体

对于理论物理学家之间永无休止的争论还有另一个解释,那就是他们缺乏新的观测数据。WMAP数据已几乎被榨干了。而这些微波背景辐射的观测数据或多或少地会限制新理论的发展,尤其是当你想发明类似火劫理论这样具有挑战性的激进理论的时候更是如此。但是改良暴涨却要容易得多。一个理论提出之后,它的变体通常就会快速地涌现。对于暴涨来说就有赛道暴涨、多场暴涨和超延展暴涨。它们中的每一个都符合暴涨的基本信条,但是目前已观测到的数据又无法区分它们之间的不同——主要体现在暴涨脉冲的形状和持续时间上。

而“普朗克”会改变这一状况。有两个检验将显得特别重要,它们不仅能够区别不同的理论,而且还可以限定一些关键的参数,例如暴涨开始的时间——如果它确实发生过的话——和它持续的时间。这两个检验中有一个将用来检测宇宙微波背景的“高斯性”。斑驳的微波背景温度变化看上去似乎是随机的,但是一个高温点出现在另一个低温点附近的概率却是有章可循的。如果一个完美而简单的暴涨统治着早期宇宙,那么这些从高温到低温的变化——微波背景温度变化的变化——将呈现出高斯钟形的曲线。火劫理论和其他复杂的暴涨理论变体有着有别于高斯曲线的特征。“非高斯性是非常复杂的,你确实希望能有证据能证明它的存在,”斯珀格尔说。

去年,美国伊利诺斯大学香槟分校的“普朗克”科学家本杰明·万德尔特(Benjamin Wandelt)使用WMAP的数据得到了一个让他自己都吃惊的结论,微波背景辐射似乎具有显著的非高斯特性。但是这一根据长达数月的计算机大规模计算得到的结果也可以轻易地瞬间蒸发,即使它的确定程度达到了99.5%。“这一结论是引人入胜的,但却并非是决定性的,”万德尔特说。WMAP小组也进行了自己的分析,到目前为止还没有宣布发现了非高斯性。但是有越来越多的研究发现了非高斯性,这其中也包括了由德国马普地外物理研究所的克里斯托弗·莱特(Christoph Räth)领导的一项研究。他说:“这是一幅不自洽的自洽画面。”然而,没有“普朗克”一切都不无尘埃落定。

对暴涨的另一个更大的检验是寻找B模。为此科学家们在南极建造了微波望远镜,并且释放气球来探测它。B模是一种特殊的偏振,它就像是出现在宇宙微波背景中的印记。如果它们存在的话,就将会是证明伴随暴涨的引力波的间接证据。

火劫理论对此非常清晰,它预言不会存在任何引力波,因此也不会有B模。对于暴涨,就像它的高斯特性一样,B模的情况要更为复杂。最简单的暴涨会产生较大的B模信号,且正好落在“普朗克”的可探测范围之内。但是对于其他的暴涨形式,这一信号会很微弱。

如果“普朗克”没有探测到B模,那么它就会把压力转加到地面和气球实验的身上。尽管所能覆盖的天区还很小,但其中的一些实验声称它们对B模的探测灵敏度已经提升了一个量级。不过美国加州理工学院的物理学家安德鲁·兰格(Andrew Lange)说,这些探测还存在一些限制。在辐射热测定器技术方面兰格可能是比任何人都要做得更多的先驱,“普朗克”将用它来高分辨率地测量微波的温度。如果B模信号太弱,那么宇宙中的微波辐射(绝大部分来自银河系)就会淹没这些残留下来的信号,而无关乎辐射热测定器本身的好坏。

就这一点来说,研究暴涨的唯一机会就是通过类似“大爆炸观测者”这样的空间任务来直接观测引力波。“大爆炸观测者”是用来探测引力波的“激光干涉空间天线”(LISA)的继任者,它将肩负直接探测源自暴涨的低频引力波的重任,而不是像现在的B模实验试图在宇宙微波背景中寻找间接的证据。但是大爆炸观测者的相关技术和资金目前还都停留在理论阶段。在缺少B模实验正面结果的前提下,这一计划也很难落实。如果大爆炸真如火劫理论所描述的,那么可能就不会有大爆炸引力波的存在。

为B模的第一个发现者以及暴涨理论的提出者颁发瑞典金牌——诺贝尔奖,要么会很快,要么还早的很。对于兰格来说,他相信是前者。在几年之内,他的辐射热测定器就会被安装在空间探测器和气球上。但是对于后一种情况他也做好了准备。每当他在做有关探测B模的报告的时候,总会插入一张人们追逐鹅的图片。如果这一代的实验什么也没探测到的话,他会卑谦地接受这一事实,大自然把一些东西藏到了他的能力和寿命所不能企及的地方。“之后,我个人就会去干点别的什么事情。”

探测B模的竞赛

紧跟着大爆炸产生的引力波可能会作用于宇宙微波背景,并且留下暴涨的证据。“无论哪个小组探测到了它,几乎肯定可以拿到诺贝尔奖,”美国戈达德航天中心的博士后詹姆斯·欣德克斯(James Hinderks)说。

新一代的地面、气球和卫星实验都在为第一个探测到这一被称为B模的信号而竞争,而B模可以通过测量微波背景辐射在天空中偏振的变化来得到。但是B模存在与否还没有一个肯定的结论。如果它们存在的话,至少要比宇宙微波背景弱1,000倍以上。一个简单的暴涨模型会产生一个绝大多数实验都能探测到的B模,但是其他的暴涨理论所预言的B模就要弱得多。


[图片说明]:在南极用于探测B模的BICEP探测器。版权:S. Richter/BICEP。

欣德克斯正在参与其中的一个实验——原初暴涨偏振探测器(PIPER),如果它能在2013年投入使用的话,PIPER对B模探测的灵敏度可以高出“普朗克”一个量级。但是为了做到这一点,必须用同温层气球将一个装有3,500升液氦的罐子送上天。而微波望远镜则将通过“南部空洞”来一窥究竟。“南部空洞”是天空中的一小片几乎不含有银河系尘埃的天区,在那里可以清晰地观测微波背景辐射。南极的地面望远镜也会在极地漫长的冬夜中不断地进行观测,因为这时的大气极其干燥,没有会发出微波辐射的水蒸汽。在太空中的“普朗克”能消除来自前景微波辐射的干扰,在更大得多的天空范围中探测B模。“普朗克”小组计划在2012年底前分析并且发布它的第一批观测数据,到那个时候一些其他的实验也应该有了结果。

这里不同的探测实验各有所长。建造地面望远镜非常廉价,而且可以使用最新的技术;空间探测器造价高昂,研发缓慢,但是可以在大范围内清晰地观测天空。气球则位于两者之间。美国给予亚轨道宇宙微波背景实验的经费大约是每年2,500万美元,远远少于任何一个空间探测器,这些空间探测器动辄耗资数亿美元。“2,500万美元是草,”美国芝加哥大学的物理学家斯蒂芬·迈耶(Stephan Meyer)说,“我们得到的是奶。”

但是不管对于什么样的探测实验,它们都必须要能非常精确地测量温度,区分出天空中不同两点大爆炸光子之间百万分之一甚至十亿分之一的温度差别。“我们谈论的是在纳开的精度上测量温度的变化,”美国芝加哥大学的迈克尔·特纳(Michael Turner)说,“从大家竞相努力的劲头就知道它有多么的重要。”

(本文删减版已刊载于《天文爱好者》杂志2009年第6期)

[Nature 2009年04月16日]

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