BICEP2引发的论战

□ 文 何锐思（Richard de Grijs）/ 翻译 程思淼

BICEP2引发的论战

□ 文 何锐思（Richard de Grijs）/ 翻译 程思淼

在这幅由斯台芬·里希特（Steffen Richter）提供的2007年的照片中，太阳在BICEP2望远镜和南极望远镜的后方落山。为了寻找大爆炸留下的微弱光线中存在的一种特殊的偏振模式，天文学家在三年之内，通过位于南极的BICEP2考察了占全天总面积2%的天区。南极极为干燥的空气对观测微波辐射十分有利。[来源：AP Photo/Steffen Richiter]

何锐思（Richard de Grijs）北京大学科维理天文与天体物理研究所（KIAA）教授，国际天文学联合会天文发展办公室东亚分站负责人。

如果你关心天文时事的话，一定注意到了最近的一条大新闻：2014年3月17日，位于美国马萨诸塞州的哈佛-史密松天体物理中心举行新闻发布会，宣布发现了宇宙大爆炸确实发生过的证据（注意：以前我们一直说大爆炸是一种“假说”）。召开如此高调的新闻发布会，在天文学这样的科学领域实在是前所未有，听众们都期待会有猛料爆出。

如此高调的声明也要求同样华丽而确凿的证据支持。消息传出后，有如此多的同行争先恐后地或寻找观测数据，或分析解读中的漏洞，这都在情理之中。一边是兴奋的记者和科学家敦促诺贝尔奖委员会赶快发奖（由于没有诺贝尔天文学奖，天文成就计在物理奖名下），另一边，冷静怀疑、也许还带点嫉妒的同行们，也赶紧奋笔疾书，要在专业期刊、“预发表服务器”（近年来，为应对信息时效性与论文正式发表流程过慢的矛盾，一些专业机构提供论文正式发表前供人阅读的网络发布平台）乃至广大的互联网博客阵地上，对这种博人眼球的行为做出抗衡。

在我们进入这场科学讨论和由此引发的论战之前，不妨先来看看那条“大新闻”到底说的是什么。

背景知识

阿兰·古斯。[摄影：Rick Friedman]

将近140亿年之前——确切地说，是137.7亿年，上下不超过5900万年——据认为，我们所在的这个宇宙就是在那个时候，以一场不寻常的爆发“出场”的。在最初的一瞬间（约10-35秒到10-33秒），宇宙以指数形式极速膨胀，其膨胀幅度之大，甚至远远超过了我们现在最好的望远镜的视界。

当然，这一切都只是理论，直到2014年3月17日，BICEP2（Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization，宇宙泛星系偏振背景成像，缩写为BICEP）合作项目的研究人员宣称他们找到了证明这个“宇宙暴胀”的第一个直接证据。

“暴胀”一词最早由美国麻省理工学院（MIT）科学家阿兰·古斯（Alan Guth）在20世纪80年代提出（译者注：70年代末苏联的阿列克谢·斯塔罗宾斯基曾提出名称不同、本质上相同的理论，但不为西方学界所知），以解释标准大爆炸理论未能解决的一些问题，如：我们向天空的各个方向看，为何观测到宇宙深处在大尺度上都是一样的。暴胀理论认为，相距超过视界半径的两个区域，在暴胀之前其实极为接近，因此具有非常相似的性质。不过，暴胀理论还有一个十分特别的预言：暴胀将能够激起引力波，而这一时空连续体上的涟漪，将给那些我们观测到的最古老的光子——宇宙微波背景辐射（CMB）留下永久的印记。

回顾历史

在所谓“复合时期”之前的早期宇宙中，光子陷在重子和电子的海洋当中，不能自由穿行。当早期宇宙随着膨胀在大爆炸后约38万年冷却到约3000开尔文（K）时，质子和电子“复合”成中性的氢原子；由于光子几乎不与中性物质（如中性氢原子和中子）作用，它们得以在空间中自由穿行、散逸，这一事件称为电磁辐射与物质退耦。宇宙因此变得“透明”了。而这散逸出的第一批光子，就成了我们今天观测到的宇宙微波背景辐射。

早在70年代初，一些头脑最为活跃的科学家就预言了宇宙微波背景辐射中“声学振荡”的存在。这种声学振荡是在大爆炸后那团原始、炽热、致密的等离子体中激起的类似声波的振荡（密度波）。在这团等离子体中，电子和重子（“正常”物质，如质子和中子）密度分布存在着微小的涨落——在早期宇宙中，这些正常物质的分布与暗物质的密度涨落有着密切的关系。在物质稍微稠密的地方，引力抵消了一部分由于光子与物质作用而产生的“辐射压”。相应地，这种辐射压在物质当中激起一种像声波一样传播的密度波，也会作用于光子和重子。（而暗物质由于不与光子作用，在单纯引力的作用下，其运动将滞后于重子物质。）

早期宇宙中出现的这种声学振荡决定了后来重子物质空间分布的特征尺度：声学振荡产生的密度波传播速度是有限的，它在复合时期之前能够传播的距离，就决定了重子物质大尺度分布的典型尺度。这个尺度又称为“声学视界”。由于辐射压在复合时期之后消失，此后引力成为施加于重子物质的主要作用。在之后的宇宙中，引力进一步凝聚了那些最初的和在声学视界边界上的密度扰动，最终塑造了今天星系成团的分布模式。

这幅精细的宇宙微波背景图是基于威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）七年间获得的数据绘制而成。颜色的变化对应于早期宇宙温度的变化，正是这个有微小涨落的早期宇宙孕育了我们今天看到的恒星和星系。蓝色的点对应于稍冷的区域（约2.7253开尔文，即-270.4247摄氏度），而红色的点则稍热（约2.7257开尔文，即-270.4243摄氏度）。[来源：NASA]

本图底部显示了宇宙尺度随时间的变化。特殊事件，比如大爆炸39万年后中性氢原子形成，也标记在图中。在此事件之前，物质（电子）和光（光子）持续不断的相互作用导致了宇宙对光（电磁波）并不透明。在此之后，我们现在称为宇宙微波背景辐射（CMB）的那些光子才开始在空间中自由穿行。物质分布的涨落（不同地方的微小差别）在背景辐射的光子上留下了印记。密度波在温度和E模偏振中反映出来，引力波则在背景辐射的B模偏振中留下痕迹。在背景辐射发出时存在的密度波和引力波，都是来自经过暴胀放大了的最初的量子涨落。

解读新闻

今天的宇宙为何是这个样子的？我们已经了解了有关理论对此问题的认识。现在，让我们回到那条惊世骇俗的声明，看一看它究竟为何如此重要。

微弱的宇宙微波背景辐射在各个方向上几乎完全相同，相当于一个温度2.72548K（即绝对零度之上2.72548度，也就是-270.42452摄氏度）的黑体发出的辐射。背景辐射在各个方向上为何如此相似？这是二十世纪宇宙学最大的谜题之一。另一个困扰天文学家的难题是，宇宙背景探测器（COBE）发现，背景辐射的温度也存在极小的各向异性。暴胀理论为这两个问题提供了简洁的解答。

那么，暴胀对于早期宇宙意味着什么呢？一般说来，暴胀理论认为，宇宙从最开始极小的10-35米（可能涨落的最小尺度，即“普朗克长度”）膨胀到远大于今天可见宇宙的范围（＞＞1026米）。这意味着年轻宇宙中温度相同的一块极小的区域将膨胀到比今天的整个可见宇宙还要大，这就解释了今天观测到的背景辐射为何在各处都有如此相似的温度。另一方面，极小尺度的世界，即由量子机制统治的世界，随着膨胀成为比较大的一块空间——而量子理论告诉我们，在开始的极小尺度下，涨落无处不在。

背景辐射各向同性但又并不完美一致的问题，暴胀理论已经给出了自然的回答。而暴胀理论还有一个判定性的预言：涨落不仅存在于我们在背景辐射中看到的正常物质，也存在于背景的引力场中——而这个引力场在背景辐射中也留下了它自己的印记。这一印记在普通的背景辐射图（强度或温度分布）中是看不出来的，要测量它的偏振才能知道。任何电磁波都有其电磁振荡的方向性——宇宙微波背景辐射也不例外——这就是所谓偏振性。在地球上，太阳光被大气散射为天光时部分偏振化，因此我们戴偏振太阳镜时会发现，一般景物只是减少了一半亮度，而天空则可以变得很黑。在太空中，宇宙微波背景辐射被原子和电子散射，同样会偏振化。我们在这用了两个看似矛盾的概念：当我们讨论宇宙膨胀中的光时，我们说它是“光子”，但到这里我们又说光是一种波。确实如此，光既可以表现粒子的性质，又会表现波的性质；1803年英国科学家托马斯·杨成功进行了证明光的波动性的双缝干涉实验，而1905年爱因斯坦对光电效应的完美解释则使人们认识到，这种波是以“光子”的形式参与微观过程的。

回到我们文章开头提到的那份不同寻常的声明，那就是基于设在南极的“宇宙泛星系偏振背景成像”望远镜（BICEP）对宇宙微波背景辐射的偏振情况进行的细致观测给出的结果。BICEP望远镜将背景辐射的偏振分为两部分：B模偏振（类磁场）和E模偏振（类电场）。其中，E模的产生相对简单，科学家也在2002年探测到了这种模式的偏振。要产生B模式的偏振则困难得多（其信号强度也微弱得多）。宇宙微波背景辐射中的B模偏振只可能由两种机制产生：前景星系的引力透镜效应（参见本刊2012年4月天文视点的文章），或者早期宇宙暴胀时在时空上留下的涟漪——引力波。由引力透镜引起的B模偏振已在去年探测到。而这次轮到引力波登场——发布会的全部内容就是如此——这些科学家宣布，他们发现了由引力波引起的B模偏振。

位于阿蒙森-斯科特南极站（南极点）暗区实验室（Dark Sector Lab）的南极望远镜（左）和BICEP望远镜（右）。[来源：Dana Hrubes]

来自暴胀的引力波使宇宙微波背景辐射的偏振呈现出明显的螺旋模式，即所谓B模式。红色或蓝色的阴影显示了其螺旋的程度。[来源：EPA/Harvard University]

人们形容引力波是“大爆炸的第一波震颤”。“对这个信号的探测是当代宇宙学最重要的目标之一。多少人付出多少努力，才有今天这个成果。”约翰·科瓦克（John Kovac）说。他是哈佛-史密松天体物理中心的科学家，BICEP2合作项目的负责人。“我们的团队在背景辐射中寻找一种称为‘B模’的特殊偏振模式，它代表的是宇宙‘第一束光’的偏振指向中一种蜷曲的、螺旋型的模式。”项目共同负责人、加州理工学院（CIT）及喷气推进实验室（JPL）的科学家杰米·波克（Jamie Bock）说。引力波在传播过程中对所到的空间造成的扭曲，在宇宙微波背景辐射上留下了明显的印记。像光波一样，引力波也是横波，具有“手性”——也就是左旋和右旋的偏振——这种螺旋的“手性”印在宇宙微波背景辐射上，就是偏振指向的B模式。

（此图相对于下图的比例尺更大，范围更小）

本图展示了一小块天区的宇宙微波背景辐射在温度上的轻微涨落（用不同的颜色表示）及偏振指向（用短线表示）。[来源：AP Photo/BICEP2 Collaboration]

除暴胀理论外，其他理论都不能预言引力波的产生。因此BICEP2团队宣布发现了背景辐射偏振指向中的B模式，不仅是对作为宇宙背景的引力波，也是对宇宙暴胀的一个强有力的证据。这次探测到的引力波的B模信号，比之前普朗克卫星的数据所暗示的要稍强一些。这也是“引力波背景”（即作为宇宙背景的引力波，同“微波背景”类似）的一个间接证据。迄今还没有任何探测器直接探测到引力辐射。

如果这份来自BICEP2项目组的声明被其他实验证实，这将是对暴胀理论和引力波存在的巨大支持。迄今为止，我们对周围这个世界的全部了解，都是通过观测电磁波获得的。而这次的新发现将为我们打开了解宇宙的一扇全新的大门：引力波。通过引力波，我们将能够进入大爆炸之后最初一瞬间难以想象的世界，以及那里难以想象的崭新的物理学——对粒子物理学来说，这可能是比确认希格斯玻色子还要重要的发现。对引力波进行各种不同尺度的、更为精确的测量，将允许人们检验和修改暴胀模型，这无疑使我们离“大爆炸究竟是什么”这个终极问题的解答更近了一步。

引发论战

确实，这都不错。不过，在这个高调声明之后没多久，就传出了“BICEP2的结果可能是无效的”的说法。一切始于亚当·弗科夫斯基（Adam Falkowski）的一篇博客。弗科夫斯基是欧洲核子研究组织（CERN）下属欧洲粒子加速器的物理学家，他在博文中声称，BICEP2团队对一些数据的解读有误，因此他们的结果是无效的——或者，至少是有问题。一石激起千层浪，两支队伍壮大起来，双方展开了激烈的辩论。一部肥皂剧由此拉开序幕……

到底发生了什么？BICEP2团队受到如此质疑，部分原因在于B模偏振很难探测。这种信号十分微弱，要通过大量的观测数据才能确认结果是否正确无误。但同时，大量数据中也会混入其他的光源，其中有些看上去也是B模偏振的样子。如果没有正确地考虑这些光源的情况，把它们误认作背景辐射的真实情况，就会得到“假阳性”的结果。一场大戏就是围绕这里展开。

这有时又称为“前景问题”。很明显，一切星系、尘埃、星际等离子体，以及我们的银河系，都处在我们和宇宙微波背景辐射之间。因此，要保证获得的数据确实是来自背景辐射，就必须要考虑它在传播途中遇到的一切（即“前景”中的一切）。我们确实有办法做到这点，但也是十分困难。“考虑一切”永远是巨大的挑战。

在BICEP2的结果公布后不久，另一个团队指出有一种前景效应会影响到BICEP2的结果。这是一种称为“射电环”的现象。最初，这只是人们在天空中发现的环形射电源，研究认为，它们应当是银河系内已扩散得极为巨大的古老超新星遗迹，其处在磁场中的尘埃辐射出偏振的射电波。而后来的研究表明，这种偏振辐射不仅存在于射电波段，而且在微波波段也有——因此和背景辐射的B模偏振十分相似。这种因素对结果有多大影响，现在还不清楚。目前，由普朗克卫星进行的另一个项目也在探测这种前景效应，并且已经公布了一些初步的结果，但原始的观测数据还没有公开。

银河系中的射电环以及BICEP2项目考察的天区。[来源：Philipp Mertsch]

现在已经清楚，BICEP2确实部分地利用了普朗克卫星的数据，以考虑这一前景效应的影响。但由于普朗克卫星的原始数据还没有公开，BICEP2团队只能通过普朗克项目组在一张幻灯片上公开的结果，逆向推算原始的数据。问题在于，那张幻灯片提供的到底是前景上真实的偏振情况呢，还是某种平均的结果？最后，一切问题都归结为：这份结果是否正确地改正了银河系中前景尘埃云的影响。如果他们用的是平均的偏振情况，那么BICEP2的结果就可能低估了前景“射电环”的影响。不过，这是否意味着BICEP2的结果完全无效呢？也不一定。要知道，普朗克的前景数据只是BICEP2项目考虑的若干前景影响中的一个。它造成的误差可能影响很大，也可能实际上很小。

需要说明的一点是，BICEP2项目的论文目前仍在同行审议中。这很重要。论文要经过批判性分析才能发表，而现在，这篇论文正在接受这一考验。过去，这一审议过程仅仅局限在大学和研究所内部；如今，随着社会媒体的报道，它也开始出现在公众的注视之下了。事实上，科学工作就是这样开展的。BICEP2团队大胆地宣布结果，现在，人人都要求他们为自己的声明给出足够的解释。

现在，BICEP2团队带着他们的工作成果迎接着这场论战。他们的工作是否经得起同行的审议，我们也只能拭目以待。不过，普林斯顿的宇宙学家大卫·斯坡格尔（David Spergel）却是冷面以对：“这个工作得不出任何宇宙学的结论——还是没有任何支持和反对暴胀的证据。”他说。我们必须等待普朗克团队公布他们对B模偏振的测量结果。普朗克卫星将能够精确地定出前景尘埃的影响，比现有的任何尘埃分布图都精确得多。这份结果预计将在今年秋天公布。一旦尘埃的影响确定，我们对BICEP2的结果将有更清楚的认识。

不知道那些急着召开新闻发布会、高调向世界宣布结果的科学家，是否吸取了这次的教训呢？