从时间开始对太空中的波进行新搜索 – InfosrkClub

宇宙诞生于 138 亿年前。对于任何想了解事物为何会变成现在样子的人来说，那时发生的事情都十分有趣。

“我认为，早期宇宙发生了什么是一个深刻的问题，”西蒙斯基金会主席戴维·斯佩格尔 (David Spergel) 说道。西蒙斯基金会是一家支持数学和科学前沿领域研究的非营利组织。“而真正让我兴奋的是，我们可以进行观察，从而深入了解这一问题。”

该基金会资助了 9000 万美元，在智利北部的高地沙漠中建造了一座耗资 1.1 亿美元的新天文台，通过观察几乎自古以来就在宇宙中传播的光粒子，它可以揭示大爆炸后发生的事情的关键线索。

这些数据最终可能为宇宙膨胀这一奇妙理论提供证据。该理论认为，在宇宙诞生后的瞬间，时空结构以远超光速的速度向外加速。

或者说，这样的天文测量可能会破坏这一假设，而这一假设是当前宇宙学理解的一个支柱。

该天文台以基金会及其创始人的名字命名：对冲基金亿万富翁兼慈善家吉姆·西蒙斯（5 月 10 日去世）和他的妻子玛丽莲（受过专业培训的经济学家）。四架望远镜中的两架于 4 月开始测量，正好赶上西蒙斯博士 4 月 25 日的到来。

“这是吉姆多年前为完成该项目设定的目标，”斯珀格尔博士说。“我们做到了。”

该天文台坐落在海拔 17,000 英尺的壮丽干旱景观之中，拥有三架形似冰淇淋甜筒的小型望远镜和一架由可指向的盒子组成的大型望远镜，该盒子看起来像“星球大战”机器人的表亲。

该望远镜收集微波——波长比可见光长但比无线电波短。两架小型望远镜已开始收集数据。第三架望远镜将在未来几个月内加入，第四架望远镜规模更大，将于明年开始运行。

四架望远镜中的约 60,000 个探测器将研究充满宇宙的微波发出的宇宙光。

“这是一种独特的仪器，”普林斯顿大学物理学教授、西蒙斯天文台联席台长苏珊娜·斯塔格斯说。“我们有非常多的探测器。”

在宇宙诞生的最初 38 万年里，温度非常高，以至于氢原子无法形成，而光子（光粒子）会从带电粒子上反弹，不断被吸收和发射。但是一旦氢形成，光子就可以畅通无阻地传播。光子已经冷却到仅比绝对零度高几度，它们的波长已经延伸到光谱的微波部分。

宇宙微波背景辐射最早是在半个世纪前被观测到的，当时新泽西州霍姆德尔的一根天线偶然捕捉到了一声哨响

20 世纪 90 年代，美国宇航局的卫星“宇宙背景探测器”揭示了宇宙微波中微小的温度脉冲，这是显示早期宇宙状况的指纹。这些波动反映了宇宙密度的变化，密度较大的区域随后会聚集在一起形成星系，甚至形成更大的超星系团结构，就像宇宙蜘蛛网一样。

西蒙斯天文台旨在探索微波中的更多细节——宇宙学家称之为 B 模式的旋转光模式。

麻省理工学院教授艾伦·古斯 45 年前提出了宇宙膨胀理论，部分是为了解释宇宙的平坦均质性。无论你从哪个方向看，无论你看多远，宇宙微波背景中的一切看起来都几乎是一样的。

但可观测宇宙如此之大，光子穿越的时间太短，不足以使温度在各处均匀分布。但时空的快速拉伸——膨胀——可以实现这一点，尽管这种拉伸将在宇宙年龄小于一万亿亿亿亿秒时结束。

加州大学圣地亚哥分校物理学教授、项目负责人之一布莱恩·基廷表示，目前的宇宙学观测符合宇宙膨胀的图景。

然而，基廷博士补充道，“到目前为止，还没有确凿的证据。”

加速膨胀会产生巨大的引力波，这种引力波会震动物质，使 B 模式留在原始微波辐射中。

基廷博士说：“B 模式，即遍布整个宇宙的引力波，就相当于枪械产生的烟雾。”

对于 B 模式，科学家将研究光的一种称为偏振的特性。

光由以相互垂直的角度振动的电场和磁场组成。通常，这些场的方向是随机的，但当光从某些表面反射时，这些场就会对齐，或变成偏振。

光的偏振可以用滤光片来研究，只有偏振方向为某一方向的光才能通过滤光片。（这就是偏光太阳镜处理反光的方式。当阳光从水面反射时，它就会变成偏振光，类似于宇宙之初光的偏振方式。）

天文台的探测器基本上由旋转偏振滤光片组成。如果微波没有偏振，其亮度将保持不变。如果它们偏振，则亮度会上下波动 – 当滤光片与偏振平行时亮度最高，当滤光片与偏振垂直时亮度最低。

在天空中重复这些测量将会揭示出极化图案。

偏振模式有两种。其中一种称为 E 模式（电模式），因为它类似于带电粒子发出的电场。先前的微波观测已在原始微波中检测到 E 模式，这些微波是由宇宙密度变化产生的。

其他极化模式具有磁场的特征。由于物理学使用字母 B 作为符号来表示磁场，因此这被称为 B 模式。

“它们看起来像一个漩涡，”斯珀格尔博士说。

引力波将通过在宇宙微波中产生微小的 B 模式来振动电子。

“如果能发现，那将是诺贝尔奖，”纽约大学物理学教授、西蒙斯基金会物理学副主任格雷戈里·加巴达泽 (Gregory Gabadadze) 说道。“别在乎诺贝尔奖。这么大的发现，谁会在乎给它颁发什么奖项呢？”

微波测量还可以揭示其他主要的物理现象，包括被称为中微子的幽灵粒子的质量，或识别暗物质——一种占宇宙质量 85% 的神秘粒子。

对于宇宙学家来说，最大的挑战或许是不要欺骗自己。

十年前就发生了这样的事情，当时参与 BICEP2（宇宙河外偏振背景成像）实验的科学家宣布，他们发现了原始引力波与宇宙膨胀有关的证据。

但很快，这些说法就被推翻了。观测到的微波并非源自宇宙大爆炸和膨胀，而是源自银河系内的尘埃。

为了避免重蹈覆辙，西蒙斯天文台将对几种波长进行观测。（BICEP2 的发现仅依赖于一种波长。）

西蒙斯天文台的其中一架望远镜将专门用于探测星际尘埃，这种尘埃会在较高温度下发出辐射。然后，信号将被减去，预计只剩下宇宙微波背景。

“我们将继续努力，防止再次发生让我们付出惨痛代价的惨败，”基廷博士说。“如果再次发生，我认为没有人会对这个领域有信心。”

在 BICEP2 争议之后，西蒙斯博士说服了竞争研究小组在西蒙斯天文台进行合作。“我开玩笑说，他基本上是强行加入的，利用了他在对冲基金领域的经验，”基廷博士说。

西蒙斯天文台可能仍无法找到它所寻找的东西，或者数据可能含糊不清。也许不计后果的尘埃排放会成为比预期更大的问题，隐藏原始的 B 模式。

“这就像透过一块脏兮兮的窗玻璃看纽约市一样，”基廷博士说，“大自然并没有要求我们产生可观察的信号。”

或者根本没有 B 模式。这会让不喜欢宇宙膨胀想法的反方宇宙学家感到高兴。膨胀的一个看似不可避免的后果是多元宇宙，即宇宙继续分化成无穷无尽的替代可能性。

“实际上，物质、空间、时间和能量的每种排列方式都会出现在被称为多元宇宙的宇宙景观中的某个地方，”基廷博士说。“有些人觉得它很有吸引力，而另一些人则觉得它令人不快。”

然而，所有替代方案都估计零 B 模式。因此，成功的检测将排除它们。

“这仍然不能证明存在通货膨胀，”基廷博士说，“但它将把肇事者从四五个缩小到一个。”

如果西蒙斯天文台没有探测到任何 B 模式，就不能明确证明宇宙膨胀是错误的。但要构建理论模型以产生小到无法探测到的 B 模式则更加困难。

“通货膨胀模式将面临大麻烦，”加巴达泽博士说。“大多数人将抛弃它，我们将寻找通货膨胀的替代方案。”

事实上，基廷博士说，西蒙斯博士在进入金融界之前是一位杰出的数学家，他也是那些希望看到通货膨胀被扔进未经证实的科学假设垃圾箱的人之一。

基廷博士说：“这符合他提出的宇宙循环或生命周期模型的概念。”但西蒙斯博士也愿意投资以查明他的观点是否错误。

“他真正热爱的是科学，”基廷博士说。