原初引力波的发现在科学上有多大的意义?

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。那么,原初引力波的发现在科学上有多大的意义?

答案是肯定的,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)