原初引力波的发现在科学上有多大的意义？

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原初引力波的发现在科学上有多大的意义？

2018-01-07
施郁
科学公园

源|悟空问答   文|施郁

提问：美国科学家在宣布引力波重大发现的时候，提到——”这将是宇宙学史上重要的时刻，因为其背后隐藏着宇宙大爆炸之谜，与宇宙开端有关。请问，原初引力波的发现在科学上有多大的意义？

施郁：是的，如果发现了原初引力波，将会极大地加深我们对于宇宙起源的认识。原初引力波是暴涨模型的一个预言。暴涨模型是说，宇宙在诞生后的10^-36秒到10^-33秒经历过一次指数级的迅速膨胀。古斯提出暴涨模型是为了解决当时宇宙学中的一些问题，比如为什么各向同性，为什么宇宙是平坦的，为什么磁单极子找不到。在苏联，Starobinsky也提出类似的理论。根据宇宙暴涨模型，量子涨落被放大为宇宙大尺度结构形成的种子。

不过虽然可以用来解决这些难题，暴涨模型还是缺少直接的证明。根据暴涨模型，暴涨改变了宇宙微波背景辐射的偏振（偏振是指电场的振动方向）。如果观测到，就是对暴涨模型的支持。 宇宙大爆炸时的光随着宇宙膨胀，现在处于微波波段，而原初引力波是的这些光具有一种叫做B模的偏振模式。 所谓B模是指偏振像磁场那样旋转。电磁场的麦克斯韦方程告诉我们，在静电学和静磁学中，磁场（B）是旋转的，而电场（E）是不旋转的。通常的微波背景辐射处于E模。

2014年3月，BICEP2团队（BICEP代表Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization，宇宙星系际偏振的背景成像）曾经宣布光测到了作为原初引力波的效应的宇宙微波背景辐射中的B模 ，但是3个月后降低了实验结果的可信度，9月份普朗克卫星的结果表明BICEP2的结果来自与宇宙尘埃。

所以，探测原初引力波还没有成功，同志仍需努力。

作者：施郁（复旦大学物理系教授）