引力波发现或重新“洗牌”物理学

邓雪梅/编译

在公布BICEP2观测结果之前，林德正在炫耀他的二头肌（前排左一）

3月17日，哈佛大学史密森天体物理中心的天文学家约翰·科瓦奇（John Kovac）宣布了关于引力波的期待已久的证据——时空结构中的涟漪起源于宇宙大爆炸并经历了急剧膨胀的暴涨阶段——当晚，详解这一发现结果的首篇论文被放到了网上，作者是加拿大圆周理论物理研究所的大卫·马什（David Marsh）及其同事。

他们写道，科瓦奇小组使用的南极BICEP2望远镜的测量结果几乎排除掉了一类模型，该模型基于一个被假设存在的基本粒子——轴子——来试图解释宇宙早期的暴涨以及宇宙中神秘暗物质的特性。然而，论文作者并没有排除掉所有的轴子模型，仅仅排除掉了“能够弥补一小部分暗物质的这类特殊轴子”。

约翰·霍普金斯大学的宇宙学家马克·卡米奥库斯基（Marc Kamionkowski）认为，BICEP2 的结果也排除了大量其他理论，包括驱使暴涨发生的能量场特性的几个想法。“符合观测结果的模型变得越来越少。”麻省理工学院宇宙学家马克斯·特格马克（Max Tegmark）说：“这是物理学中的一次彻底大洗牌，几乎一切都被排除掉了。这不仅仅动摇了实验领域，同时也影响到了理论界。”

就在BICEP2观测结果公布的第二天，斯坦福大学宇宙学家安德烈·林德 （Andrei Linde）认为，许多模型并没有产生可探测水平的引力波。同是暴涨理论奠基人之一的林德说，BICEP2的观测数据将排除掉大约90%的暴涨模型。但他表示，这一观测结果会同“混沌暴涨”符合得非常好。

在林德的模型中，暴涨并没有完全地结束，它仅仅停留在有限的空间区域并随着指数膨胀到其他地方。林德还指出，原始引力波的发现似乎排除了被称做循环宇宙的可选模型。在循环宇宙中，两个“膜世界”的碰撞产生了宇宙大爆炸，这两个“膜世界”镶嵌在一个更高维时空中。这个理论并不能产生引力波。

普林斯顿大学理论物理学家保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt）是循环宇宙的提出者，他坦承，如果BICEP2的观测结果被证实的话，那么他的理论就彻底被推翻了。但他并没有因此放弃希望，因为循环宇宙的一个变种可能会产生引力波。

与此同时，诺奖得主、麻省理工学院的弗兰克·韦尔切克（Frank Wilczek）认为，BICEP2的观测结果会让一些弦理论学家“另起炉灶”。弦理论假定基本粒子是由微小振动的能量环构成。他说，将弦理论同宇宙学结合起来会使其中的暴涨模型所产生的引力波能量比BICEP2探测到的低得多。

对于是否要放弃弦理论，林德认为没有必要。“这仅仅是了解哪种理论更好的一种正常过程，”他同时说，“我们所有的人，不仅仅是弦理论学家，都应当重新启航。并不是因为我们失败了，而是因为我们得到了更加重要的东西”