阿里原初引力波觀測臺址示意圖 資料圖片

膜宇宙的碰撞與遠離 資料圖片

【科學向未來】

談到Big Bang你會想到什么?是紅極一時的韓國偶像天團，還是連續更新了十二季的美國情景喜劇?在宇宙學家眼中，這個術語來自現代宇宙學(即熱大爆炸宇宙學說)，代表著一場美輪美奐的“演化”，它以最簡單、樸實卻又充滿想象力的藝術圖像刻畫了我們宇宙漫長的138億年的歷史。

什么是“宇宙大爆炸”理論呢?這個理論認為，宇宙是由138億年前的一個時空奇點引發的，這個奇點通過劇烈膨脹將時間和空間伸展開來，形成宇宙。“宇宙大爆炸”理論雛形在20世紀40年代由物理學家伽莫夫等人提出，用以理解宇宙中的輕元素豐度。剛被提出時，它還叫“原初核合成理論”，當時的英國物理學家霍伊爾并不是很認同該理論，霍伊爾在BBC電臺的一次采訪中笑稱該理論把宇宙的演變說得像是一次“大爆炸”，而正是由于他那次的腦洞大開，“宇宙大爆炸”的名字便沿用至今。

其實，自愛因斯坦提出廣義相對論，科學家們就面對這樣一個難以解決的問題——“生”出宇宙的時空奇點其所有的物理參量，例如能量密度、曲率、溫度，都是無窮大的，但無窮大發散在數學上的描述是不自洽的。

為了解決這個問題，物理學家們絞盡腦汁。20世紀30年代，一群研究愛因斯坦引力理論的“狂熱分子”給出了各種宇宙學解決方案。其中，美國物理學家理查德·托爾曼在1934年提出的“振蕩宇宙”理論最為盛行。但根據時間反演倒推回過去，振蕩周期變得越來越短，宇宙的最終命運仍然是大爆炸的奇異性。由于這個問題的存在，再加上過去半個世紀熱大爆炸宇宙學說和暴脹理論的巨大成功，物理學家們對振蕩宇宙的研究興趣在20世紀80年代左右略有削弱。

然而，大爆炸奇點的“烏云”仍然籠罩在當前的宇宙學中，對振蕩宇宙的研究也在繼續。在1995年召開的弦理論會議上，物理學家愛德華·威滕在提出的M理論認為，空間不僅僅是我們熟悉的三維空間，而具有更高的維度，但這些額外的空間維度是卷曲的。從更高維度的空間和時間看，我們的宇宙很像是一部三維電影。

受這種瘋狂觀點的啟發，普林斯頓大學的保羅·斯坦哈特和劍橋大學的尼爾·特洛克在2001年提出了一個新的循環宇宙模型——火劫模型。在這個模型中，宇宙創生是周期性的，如同鳳凰涅槃之后火劫重生。

從一開始對大爆炸時空奇點束手無策到周而復始、無始無終的火劫模型，物理學家們取得了不小的理論進展。但這個模型畢竟只是一個假說，它面臨著兩大問題：一是如何利用合理的數學語言來精確刻畫這個模型;二是這個模型如何真實地刻畫我們的宇宙，并解釋在這個宇宙中所發生的一切，特別是我們人類所觀測到的一切。

為了回答這些問題，宇宙學家們先將目光集中到只發生一次收縮和膨脹過程的宇宙學圖像，并稱之為“反彈學說”。構造這一圖像的理論模型都可以解決熱大爆炸宇宙學所面臨的初始條件疑難。反彈學說不僅很好地繼承了熱大爆炸宇宙學所取得的累累碩果，更讓我們避免了那個會讓所有物理理論失效的時空奇點。

解決大爆炸奇點問題，接下來面對的就是如何證明宇宙曾經歷過一段收縮過程。幸運的是，無論宇宙在極早期經歷了什么樣的演變，微觀世界中的量子波動總會存在。我們今天看到的由宇宙微波背景輻射(CMB)的溫度漲落形成的多彩宇宙：星系、恒星、地球乃至我們自己，都是從宇宙嬰兒期的量子波動演變而來的。這些量子波動被拉伸到宏觀尺度，形成所謂的原初密度擾動，它們將為后期宇宙中大尺度結構的形成提供最原始的種子。

這之后，新一波的疑問接著產生：宇宙是來自大爆炸的奇點，還是從收縮過程中的反彈?宇宙在極早期究竟發生了什么?這些問題至今仍沒有定論。但它也吸引了越來越多的宇宙學家思考。令我們意外的是，在熱大爆炸后大約38萬年，我們的宇宙為自己拍了張“自拍照”，這張自拍照使得原初引力波信號可以通過宇宙微波背景輻射的高精度測量來驗證。通過分析CMB的偏振漲落，我們發現原初宇宙中的張量擾動(即原初引力波)可以直接導致CMB擁有B模式的偏振信號。宇宙學家曾試圖利用WMAP、Planck等衛星搜集到的近15年的數據重構原初擾動，甚至原初宇宙的模樣，遺憾的是截至目前原初引力波仍沒有被觀測到。

雖然對原始引力波的探索很難，但我們仍在不懈地努力尋找那些寶貴的原初B模偏振信號。由于衛星實驗通常成本高昂，并且操作壽命和承載能力在技術上受到不同程度的限制，人們不得不更多地探索在地面探測CMB的方法——地基天文臺。迄今為止，已建成并計劃進行的CMB地面觀測主要集中在智利天文臺和美國南極極點科考站。在北半球，這仍然是一片空白。

填補這個空白，中國科技界當仁不讓。2014年，中國科學院高能物理研究所張新民研究員提出了“阿里計劃”——阿里原初引力波探測實驗。這一項目于2016年12月13日正式啟動，由中國科學院高能物理研究所牽頭、國內多家科研單位參與的中美合作項目。按照規劃，科學家們將在海拔5200多米建設一座世界上最先進的、用于探測原初引力波的望遠鏡。該項目計劃于2020年建成阿里一號望遠鏡并開始觀測。它將在北天區探測原初引力波，并計劃通過測量CMB偏振旋轉角來檢驗物理定律中的基本對稱性：電荷共軛(C)-宇稱(P)-時間反演(T)不變性。與此同時，阿里計劃與南半球的CMB實驗合作，形成一個南北向背，覆蓋全天的原始引力波觀測。科學家們也在討論，能否在“阿里一號”基礎上建設更加靈敏的望遠鏡陣列“阿里二號”，得到獨立的、更高精度的原初引力波測量結果。未來，它將與南極觀測站、智利觀測站一道，成為三大觀測原初引力波的世界級臺址。

我們生活在宇宙之中。或許從人類誕生之初，就一直仰天常問：宇宙何時誕生?宇宙因何誕生?這是哲學家與科學家永恒的追問。科學需要實證，理論預言之爭需要客觀數據一錘定音。這個過程困難重重，甚至會充滿曲折和迂回，但科學家們一直在努力。我們也相信，這個謎題終將解決，作為其中的一員，我們將在這個偉大的過程中，貢獻自己的力量。

（作者：蔡一夫，系中國科學技術大學天文學系教授）

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宇宙還能存在多少年

日本國立天文臺、東京大學和美國普林斯頓大學等機構研究人員組成的科研團隊發表的一項最新研究稱，從暗物質和暗能量的角度分析，宇宙的壽命還有1400億年。

這項研究認為，宇宙中不存在足以引發再度收縮的暗物質和暗能量，會持續膨脹下去，并在1400億年后達到無限大，走向終結。

目前公認的理論認為，宇宙起源于138億年前的大爆炸，隨后開始膨脹演化。不過，關于宇宙將如何走向終結存在多種假說，包括再度縮成一點的“大坍縮”和膨脹至無限大的“大撕裂”等。

研究團隊利用架設在美國夏威夷的昴宿星團天文望遠鏡觀測分析了約1000萬個星系的引力透鏡效應，對宇宙中暗物質和暗能量的分布進行了迄今最全面的解析，繪制了暗物質的立體空間地圖。他們通過一系列計算評估得出結論認為，宇宙的壽命大概還會持續1400億年。

引力透鏡效應是指光線在通過大質量天體附近時會發生彎曲的現象，就好像一個“宇宙放大鏡”，可以幫助研究宇宙中最早和最遙遠的星系。而暗物質和暗能量對星系的形成和宇宙膨脹起到了關鍵作用，是預測宇宙未來的重要依據。

（綜合新華社報道）

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