互动科普

 通过研究引力波所造成的细微脉动，科学家们或许很快就能瞥见宇宙诞生之初的状况。

 宇宙学家们现在所思考的问题仍然是人类历史上最初一批天文学家在遥望星空时就已经提出的问题。宇宙来自何处?宇宙诞生之前还有什么东西?宇宙是如何达到其目前状态的而它未来的命运又如何呢?虽然理论家们很早以来就一直在冥思苦想宇宙的起源问题，但直到不久前他们都还没有任何办法来探测宇宙最初阶段的状况以检验自己的假说。然而，最近几年中，研究人员已找到一种方法来观测宇宙在大爆炸之后远短于1秒的最初一瞬问的状况。这一方法就是寻找宇宙微波背景辐射(CMB辐射)中的引力波的痕迹，而微波背景辐射则是在将近150亿年的时间里一直弥漫着整个宇宙的一种低温辐射。

 CMB辐射是在大爆炸之后大约50万年开始发射出来的，当时原始等离子体(即充满早期宇宙的炽热而稠密的亚原子粒子“汤”)中的电子与质子首次结台起来而形成氢原子。由于这一辐射使我们得到当时的宇宙的一幅“快照”，因此它就成了宇宙学中的罗塞达碑(此碑是刻有古代文字的一块埃及古碑，它为破译古埃及象形文字提供了关键线索。)CMB辐射是在1965年被探测到的，此后研究人员发现，无论他们朝天空中哪个方向观测，CMB辐射的温度(这一温度是衡量黑体辐射强度的指标)都非常接近于2．7开氏度。换言之，CMB辐射似乎是各向同性的，这就意味着早期的宇宙异乎寻常地均匀。然而，20世纪90年代初，一颗名为“宇宙背景辐射探测器”的卫星(COBE)发现，不同方向的CMB辐射的温度存在着微小的差异，其变动的幅度只有十万分之一左右这些差异证明了原始等离子体中存在微小的成团与起伏现象，而正是这些原始质量分布的不均匀性后来演变成宇宙中的大尺度结构，即我们今天所观测到的星系和星系团。

 90年代后期，研究人员使用若干地面探测器和气球搭载的探测器观测了CMB辐射。这些探测器的角分辨率比COBE的角分辨率高得多．它们发现r原始等离子体存在一些天空立体角不到l度的结构(可以拿月亮作一个比较：月亮的天空立体角为0．5度左右)。原始结构的大小揭示了宇宙的几何特性是平坦的[参看本刊1999年第4期的宇宙学专题文章]。这些观测结果也与暴胀理论相吻合。暴胀理论认为．在大爆炸之后的最初时刻。宇宙经历了一个极为迅速的膨胀阶段。美国国家航空航天局计划在2001年发射“微波各向异性探测器”(MAP)，该探测器将把对CMB辐射的观测扩大到整个天空【参看本期《宇宙绘图仪》一文】。欧洲空间局的“普朗克”号章间探测器(定于2007年发射)将对天空进行更为详尽的绘图。宇宙学家们希望，通过这些观测，他们将发掘出有关早期宇宙的极为丰富的信息宝藏。

 研究人员特别希望发现宇宙暴胀阶段的直接证据，最强有力的证据——即所谓的 “冒烟的枪”(Smoek gun，在犯罪现场当场缴获的作案枪支)——将是现测到暴胀的引力波。l918年，作为广义相对沦的一个推论，阿尔伯特·爱因斯坦预测了引力波的存在。引力波与电磁波(如X射线、射电波和可见光等)很相似：电磁波是电磁场扰动在空间的传播所形成的，而引力波则来自引力场扰动在空间的传播。与光波和无线电波一样，引力波也可以携带来自引力波辐射源的信息和能量，使其被传送到其它地方。此外，一般的物质会对所有各种形式的电磁波产生不同的吸收、但引力波却能够自由地穿越物质而不受任何阻碍。正像医生借助X光可以透视可见光无法穿过的物体一样，研究人员也可以利用引力波来观察无法用其它方法观看的天体物理现象。尽管研究人员还未直接探测到引力波，但天文观测已经证实，成对的极端致密天体(如中子星与黑洞)在彼此沿螺旋形轨道接近时会产生引力波。

 在宇宙诞生之后的头50万年内，充满整个宇宙的等离子体对电磁辐射是不透明的，因为所有光子一发射出来马上就会在亚原子粒子“汤”中被散射掉。因此，天文学家们无法观察到其起源时间早于CMB辐射的任何电磁信号但是BI力波却能够穿过等离子体传播。此外，暴胀理论还预测，宇宙在大爆炸后的10-18秒时的急剧膨胀应该产生引力波。如果这一理论是正确的，那么这些BI力波就会在早期的宇宙中来回传播，并在50万年后在CMB辐射中留下我们今天能够观测到的细微脉动.

 暴胀产生波

 为了弄清楚暴胀如何能够产生引力波，我们来看看量子力学的一个极为令人感兴趣的效应：真空空间并非完全空空如也。不论什么时候，虚拟的粒子对总是在不停地自发产生，然后又被破坏掉。海森堡的不确定性原理认为，对能量为△的粒子可以突然无中生有地产生并存在△t那样长的时间后再相互湮灭，只要△E△t<h／2的话(h为简化普朗克常数，其值等于1.055x10。焦耳秒)不过．你倒不必担心虚拟苹果或香蕉会突然从真空中冒出来，因为不确定性原理仅仅适用于基本粒子，而不适用于复杂的原子组合。

 引力子便是受到这一过程影响的几种基本粒子之一。(引力子是引力波的量子粒子，正如光子是电磁波的量子粒子一样。)虚拟引力子对不停地突然产生又突然消失。然而，在暴胀期间，虚拟引力子对分开的速率要比它们消失回真空的速率快得多。实际上这些虚拟粒子变成了真实粒子而且，宇宙那快得不可思议的膨胀速度也把引力子的波长从微观尺度拉长到宏观尺度。这样．暴胀就为引力波的产生提供了能量，形成一个能够反映太爆炸之后宇宙最初时刻的状况的引力波波谱。如果暴胀引力波真的存在，它们就将是宇宙中最古老的遗物，其产生的时间比宇宙微波背景辐射发射出来的时间要早50万年。

 宇宙微波背景辐射的波长基本上限制在1到5毫米之间(峰值强度出现在2毫米上)而暴胀引力波的波长范围就要大得多：从1厘米到1023公里，后者是现今观测到的宁宙的大小。暴胀理论认为，波长最长的引力波其强度也是最大的，而且它们的强度取决下宇宙在暴胀时期膨胀的速率这一速率与暴胀的能够尺度成正比，而后者则由暴胀开始时宇宙的温度所决定。此外，由于时间越早，宇宙的温度就越高，因此引力波的强度最终取决于暴胀在何时开始。

 遗憾的是宇宙学家们无法精确地确定这一时刻，因为他们对于暴胀的起因没有详细的了解。一部分物理学家提出，暴胀始于三种基本相互作用(即强力，弱力与电磁力)在宇宙诞生后立即相互分离开的那一瞬间。按照这一理论．上述这种力在大爆炸开始时是合而为一的，但在大爆炸之后10-38秒就相互分开，而这一事件通过某种方式触发了宇宙的突然膨胀。如果这一理论正确的话，那么暴胀的能量尺度就为l015到1010GeV。(GeV即吉电子伏特。lGeV等于1个质子穿过电压降为l0亿伏的电场加速时所获得的能量现今最大的粒子加速器其能量已达到1OGeV。)另一方面，如果暴胀是由后来发生的另外一种物理现象引起的话，那么它特产生比较弱的引力波。

 暴胀引力波一旦在太爆炸后最初远短于1秒的时刻产生，就将永远传播下去，因此到今天它们也应该仍然在宇宙中到处飞驰。但是宇宙学家们如何能现测到这些引力波呢?首先我们来看看一台普通的立体声收音机是如何检测到无线电信号的。无线电波是振荡的电场和磁场，它们使收音机天线中的电子来回运动这些电子的运动产生电流，此电流就被收音机记录下来。

 类似地，引力波穿过空间传播时就使空间产生交替的拉伸与压缩振荡。这些振荡将使一组自由漂浮的测试物体发生微小的运动。2O世纪50年代后期，伦敦国王学院的物理学家Hermann Bondi介绍了一种假想的引力波探测器，试图以此说服那些对引力波的物理实在性持怀疑态度的人。这种理想化的探测装置就是一对环状物自由悬挂在一根长长的刚性棒上。振幅为h、频率为拍入f的入射引力波将使两环之间的距离，交替地收缩和膨胀，这一振荡的频率也是振幅为自H x L环与棒之间相互摩擦所产生的热量证明了引力波携带着能量。

 目前研究人员正在建造高级的引力波探测器．它将利用激光来探测悬挂物体的微小运动【见附文“猎波者”】。测试物体之间的距离决定了探测器能够探测的波长范围。在最大的地基探测器上，测试物体之间的距离为4公里，该探测器将能够测量波长从3O到3万公罩的引力波所引起的振荡。计划布置在空间中的一个引力波天文台可能能够探测到波长比上述值大l千倍的引力波。中子星合并与黑洞碰撞所产生的引力波其波长在这一范围内因此它们能够被这些新仪器所探铡到。但是，在这一波长范围内的暴胀引力波其强度太弱，不能在探测器中产生可测量到的振荡。

 最强的暴胀引力波就是波长最大的暴胀引力波，其波长与可观测宇宙的直径相仿。为了探测这类引力波，研究人员必须观测一组在空间中的距离差不多也有这样大的自由悬浮的测试物体幸运的是，大自然正好为我们作了这样一种安排：发射出宇宙微波背景辐射的原始等离子体就可以作为测试物体。在暴胀时期与微波背景辐射开始发射之问的50万年里，波长极长的引力波在早期宇宙中来回振荡，交替地拉伸和压缩等离子体。现在研究人员可以通过搜寻宇宙微波背景辐射中微弱的多普勒频移来观察这些振动。

 如果在宇宙微波背景辐射发射出来的时候，一束引力波正在把一团等离子体向着地球的方向(也就是向着最终将变成现今银河系的那一部分宇宙)拉长，那么这团等离子体发出的辐射在观测者看来就显得更蓝，因为该辐射已向较短的波长移动，从而温度也变得更高相反，如果在宇宙微波背景辐射发射之际，引力波使一团等离子体朝着离开地球的方向被压缩，那么该辐射就显得较红，因为它已向鞍长的波长移动，而温度也髓之降低。因此，只要绘出宇宙微波背景辐射中的蓝斑与红斑(分别对应于较热和较冷的辐射温度)，研究人员就能够观察到暴胀引力波所引起的等离子体运动模式。这时宇宙本身就变成了一台引力波探溯器。

 偏振特性

 但是，这项任务并不是一件轻而易举的事情。我们本文开已经提到过、早期宇宙中质量分布的不均匀也能使微波背景辐射的温度H1现差异(例如，密度较大的等离子体区域的引力场使来自这区域的光子发生红移，COBE卫星所观察到的温度差异有一批分就是由此造成的)。如果宁宙学家只考虑辐射温度，那他们就无法判断这些差异有多大一部分是由引力波造成的。虽然如此，科学家们至少也知道引波所造成的温度差异不超过COBE卫星和它的宇宙微波背景辐射探测器所观察到的温度差异的十万分之一。这一事实给产生暴胀的物理现象定下了个引人注目的限制：暴胀的能节尺度必定小于10GeV，因此暴胀时期不可能出现在比大爆炸后10秒更早的时候。

 但是宇宙学家们如何能走得更远一些呢?他们如何能克服温度涨落的起因不明这样一个问题呢?答案在于宇宙微波背景辐射中的偏振，当光射在一个表面上，且其入射方式使它以接近直角的角度从入射光束敞射开来时，它就变成线偏振光．也就足说现在光波都沿着某一特定方向振动。偏振太阳镜就利用了这样一种效应。由于从地面散射开来的阳光通常在水平方向上偏振，因此太阳镜中的滤光层通过阻断在这方向上振动的光波而减轻了刺目的阳光。宇宙微波背景辐射也是偏振的就在早期宇宙变得对辐射透明之前，宇宙微波背景辐射的光子最后一次从等离子体中的电子上散射开来这些光子有一部分以大角度射在电子上，这样就使辐射出现偏振。

 探测暴胀引力波的关键在于这样一个事实，即暴胀引力波引起的等离子体运动所产生的偏振模式，与质量不均匀所产生的偏振模式是不同的。这一构想是比较简单的。宇宙微波背景辐射的线偏振性可以用一些小的线段来表示，这些线段显示了天空中每一区域的偏振方向角。有时上述线段排列成环形或呈径向排列。它们也可以构成转动的旋涡形状，其方向可以是右旋，也可以是左旋，即看起来好像是在沿顺时针方向或逆时针方向转动。

 后两种偏振模式的“方向特性”提供了关于其起源的线索原始等离子体中质量的不均匀分布不可能产生这类偏振模式，因为无论是等离子体密集还是稀薄的区域都不具有右旋或左旋方向性。但引力波却有这样一种方向特性：引力波的传播存在右旋运动和左旋运动这两种方式。引力波产生的偏振模式看起来就像许多大小不一的旋涡随机迭加起来所呈现的图景。用研究人员的话来说，这类模式呈现一种“卷曲”形式，而质量不均匀性所产生的环形与径向偏振模式则不存在卷曲。

 即使是眼光最敏锐的观察者，也不可能在看了一幅偏振图后就凭内眼判定它是否存在带卷曲的偏振模式。但傅立叶分析(将图形分解为一系列波形的数学方法)的一种推广形式可以用来把偏振模式加以分解，即分解成含有卷曲和不含卷曲的一系列组分模式。这样，如果宇宙学家能够测量宇宙微波背景辐射的偏振情况，并确定有卷曲的偏振模式在其中占多大比例，他们就能够计算出波长极长的暴胀引力波的振幅。由于引力波的振幅是由暴胀能量决定的，研究人员就得以直接测量这一能量尺度。而此项结果又将有助于回答暴胀是不是由各种基本力的统一所引起的这个问题。

 探测到这些卷曲模式的前景如何呢?美国航空航天局的MAP空间探测器以及几项在地面和气球上进行的实验都已准备好对宇宙微波背景辐射的偏振进行首次测量。但是这些仪器可能还不具备探测暴胀引力波产生的卷曲成分所需的灵敏度。不过，随后进行的实验则可能有较大的机会探测到这类卷曲成分。如果暴胀的确是由基本力的统一所引起的，那么它的引力波信号或许就将强得足以被普朗克空间探测器探测到，但也可能需要一艘灵敏度更高的下一代空间探测器才能完成这一任务。然而，如果暴胀是被后来才发生的一些能量较低的物理现象所触发的，那么引力波信号就会极其微弱，不能在可预见的未来被探测到。

 由于宇宙学家不能肯定暴胀发生的原因，他们也就无法确切预言暴胀引力波所产生的偏振信号的强度。但是，即使只有很小的机会探测到这种信号，这样的机会还是值得争取的如果能探铡到此信号，那就不仅为暴胀的存在提供了无可辩驳的证据，也使我们获得了回顾宇宙最早时刻(大爆炸后l0秒)的难得机遇。到那时我们或许就能够考虑如何解决当代最令人感兴趣的问题之一——宇宙起源于何处?

平滑的宇宙

在一个既无密度变化又无引力波的宇宙中字宙微波背景辐射(CMB)将是完全均匀的。

 引力

波虽然天文学家从来直接观测到引力波但根据理论预测.由于引力波在穿越空间时会主动地拉伸和压缩空间因此它们是能够被捺测到的引力波在射到-个球形物体上时(a).首先使该物体在-个方向上被拉伸.而在其垂直方向上被压缩(b)，然后其作用又颠倒过来，这样该物体的畸变就随着引力;波的频率来回振荡(d与e)，本图所示的畸变是大大夸张了的。引力波通常极其微弱，不能产生可以测量到的效应。

 畸变的宇宙

大爆炸之后的瞬间宇宙经历了快得不可思议的膨胀这一暴胀过程应当产生引力波。引力波交替地拉伸和压缩原始等离子体使发射宇宙微波背景辐射的球形表面产生运动。这些运动又会使辐射温度出现红移和蓝移并导致宇宙微波背景辐射发生偏振本图显示了从一极向另一极传播的引力波(其波长为球体半径的四分之一)所产生的作用。

 宇宙时间线

在暴胀期间(暴胀就是宇宙在大爆炸之后最初瞬间发生的剧烈膨胀) 量子过程产生

了一批波长各异的引力波。这些波穿过原始等离子体传播使大约5O万年前发射的宇宙微波背景辐射出现畸变。宇宙学家们现在仔细地观测宇宙微波背景辐射。可能会探测到暴胀波所引起的等离子体运动。

 辐射的遗迹

暴胀引力波在宇宙微波背景辐射上留下了其特有的痕迹。本图描述了畸变所产生的模拟温度变化和偏振模式 红色与蓝色斑块分别代表宇宙微波背景辐射的较冷与较热部位而短线则表示天空中每一区域的偏振方向角

 猎波者

新的探测器即将整装待发

暴胀期间，量子过程所产生的引力波并不是唯一一种据信在宇宙中到处传播的引力波。许多天体物理系统(例如轨道双星、合并的中子星以及互相碰撞的黑洞等)也应当发射出强大的引力波根据广义相对论，任何一个存在着非球对称的内部运动的物理系统都能够产生引力波，因此一对沿轨道彼此绕着对方运动的恒星特产生引力波，但单颗恒星却不会产生引力波。

探测引力波所存在的问题是，随着引力波向外传播开来，它的强度就迅速减弱。虽然中子星的合并与黑洞的碰撞均属于宇宙中最猛烈的灾变事件之列，但这些事件所产生的引力波经过数亿光年的传播到达地球后，已经受得极其微弱了。例如，如果在距地球10亿光年处发生了黑洞碰撞，那么它使地球上两个自由悬浮的测试物体间的距离交昔地被压缩和拉伸的幅度将只有10-2．即万亿分之一的十亿分之一。

为了测量如此微小的振荡，研完人员正在准备“激光干涉仪引力波观察站”(Laser interferometer Gravitational—WaveObservatory、LIGO)这个观察站由两部分组成，分别设在路易斯安那州的利文新敦和华盛顿州的汉福德(，每一部分都有两根长达四奔里的管道垂直地连接在一起，构成一个巨大的“L”形。管道内将有激光束在高度磨光的反射镜之间来回反射。调节激光束使其相互干涉．科学家们就能够记录到反射镜之间距离的微小变化从而测量出小至10厘米的振荡(相当于氮原子直径的十亿分之一)在利文斯敦和汉福德获得的结果将加以比较，以排除一些同引力波效应相似的局部效应如地震活动、噪声及激光器本身的不稳定性等。

物理学家们还在建造一些较小的探驯器．这些探测器将与LIG0配合．使研究人员能够通过三角测量法确定引力波的波源。这类探测器的例子有TAMA(在东京附近)、Virgo(在意大利比萨附近)以及GE0(在德国汉诺威附近)为了测量波长较长的引力波．美国航空航天局和欧洲空间局计划在2010年发射“激光干涉仪空间天线此探驯器由三艘完全相同的空间飞船构成。它们排列威三角形的队形，彼此发射5百万公里长的激光束。遗憾的是．这些提议中的探测器的灵敏度都不足以探剥到暴胀所产生的引力波。只有宇宙微波背景辐射能揭示暴胀引力波的存在。——R.R.C.M.K．

陈春焕／译  向俊／校