3月17日,普林斯頓大學的物理學家保羅·斯坦哈特放棄了他倡導了十多年的理論。被稱為“火劫宇宙”模型,它是對主流暴脹理論的替代,該理論認為宇宙在宇宙大爆炸最初一瞬間的極短時間內以超過光速的速度膨脹。如果暴脹理論是正確的,那麼這個過程應該釋放出一陣引力波;而在斯坦哈特的模型中,它們不應該存在。在三月的那一天,一個觀測團隊在哈佛-史密森天體物理中心舉行的重大新聞釋出會上宣佈,他們確實探測到了引力波,從而首次清晰地看到了宇宙的早期時刻。這一宣佈引起了巨大的轟動。“空間漣漪揭示大爆炸的有力證據”,《紐約時報》頭版高呼。“發現證實大爆炸理論”,《華爾街日報》宣稱。數十個類似的標題出現在看似任何地方。斯坦哈特立即宣佈他的理論死亡。
但現在他不太確定了。“情況,”斯坦哈特說,“已經改變了。” 從位於南極的BICEP2微波望遠鏡的結果釋出的那一刻起,許多宇宙學家就感覺這項發現建立在不牢固的基礎之上。“我認為可以公平地說,”同樣在普林斯頓大學的物理學家威廉·瓊斯認為,“這些聲稱給很多人,包括我自己,留下了印象,認為它們遠遠超出了資料所能支援的範圍。” 約翰·霍普金斯大學的物理學家和天文學家查爾斯·班 Bennett,他領導了威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)衛星的研究,對此表示贊同。“他們論文中的幾張圖看起來對我來說很奇怪,”他說。
在隨後的兩個月裡,疑慮只會越來越強烈,因為物理學家們試圖,但未能重現BICEP2團隊的計算——誠然,沒有原始資料(該團隊尚未提供),也沒有“系統學”論文(闡述可能的誤差來源),該團隊已承諾但尚未完成。描述結果本身的論文尚未在同行評審期刊上發表,儘管該過程正在進行中。
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與此同時,天文界日益增長的疑慮首先在私下和透過電子郵件提出,然後在巴黎法國國家科學研究中心的物理學家亞當·法爾科夫斯基的部落格文章中提出,最近又在《華盛頓郵報》》,《新科學家》,《科學新聞》和其他媒體的文章中提出。
如果對原始引力波的探測不是如此重要的事情,就不會有人如此大驚小怪。但是BICEP2的結果對於驗證暴脹理論至關重要,暴脹理論是現代宇宙學的基石。該理論最早在1980年代初期提出,旨在解決許多宇宙學難題。其中之一是,宇宙在所有方向上看起來都相同,即使可見宇宙的對立兩側在正常情況下,即使在最初,也永遠不可能相互接觸。另一個難題是,宇宙看起來是平坦的——即使兩條平行線穿過整個宇宙也不會相交。暴脹理論解釋了所有這些難題,它假設在宇宙誕生後不到十億分之一秒的極短時間內發生了一次超快的膨脹。
起初,暴脹理論純粹是理論性的(儘管加州大學聖克魯茲分校的物理學家喬爾·R·普里馬克從一開始就說“沒有像這個理論一樣美麗的理論曾經是錯誤的”)。許多測量結果——尤其是來自大爆炸遺留下來的宇宙微波背景(CMB)輻射的溫度差異圖——加強了該理論,但是探測到暴脹引發的引力波將是對其特別有力的驗證。
這正是BICEP2顯然看到的——不是波本身,而是它們在CMB上的印記。來自暴脹的引力波會微妙地扭曲微波光,產生一種稱為“B模式偏振”的效應。但是,該訊號也可能是由微波從銀河系中的塵埃反彈或由銀河磁場引起的。根據批評者的說法,BICEP2團隊並沒有令人信服地 disentangle 所有這些效應。高階研究所的物理學家拉斐爾·弗勞格獨立重新分析了BICEP2資料,他說,很明顯他們看到了某些東西。“但是很難評估,”他說,“訊號中有多少是由於前景造成的,有多少——或者實際上是否任何一部分——來自暴脹。”
最強烈的批評之一與可能的灰塵汙染有關。BICEP2只能在一個波長的微波輻射中觀察天空,這使得研究人員更難排除這種混淆來源。因此,該團隊依靠歐洲航天局普朗克衛星的塵埃濃度圖,該衛星也在繪製CMB圖。但是,普朗克資料尚未釋出:BICEP2團隊從會議上閃現的幻燈片的pdf檔案中提取了資訊。該幻燈片反映了可能納入未來科學論文的觀測結果,但是該資訊與可以插入正式分析的原始資料非常不同。它也不同於普朗克團隊最終可能釋出的最終塵埃濃度圖。“這是我們唯一可以使用的東西,”BICEP2首席研究員、哈佛大學的約翰·科瓦奇辯解道。但是普林斯頓大學的大衛·斯佩格爾,他領導了WMAP衛星資料的分析,稱該策略“很奇怪。這是一件不尋常且冒險的事情,因為該幻燈片並非為此目的而設計的。”
斯佩格爾還說,BICEP2團隊顯然未能將來自遙遠塵埃星系的宇宙紅外背景輻射的汙染考慮在內。“當你這樣做時,”斯佩格爾說,“可能足以解釋他們看到的所有訊號。我們在公告發布後一週內就向他們指出了這一點。他們說他們會調查的。” 他說,此後他再也沒有聽到任何訊息。他計劃在一週內提交一篇基於弗勞格分析的論文。“我們將爭辯說他們犯了一個錯誤。”
但是科瓦奇拒絕了這種說法。“我們報告的結果是在非常仔細的分析之後得出的。我們描述了[使用普朗克幻燈片固有的]不確定性,重要的是要記住,這只是我們用來表徵塵埃貢獻的六個模型之一。我們當然堅持我們的結果。”
重要的是要強調,沒有人說望遠鏡或科學團隊不是一流的,甚至結果不一定是錯誤的。但是,人們普遍認為結果被誇大了。“我只是認為他們很興奮,過度解讀了他們的資料,”斯佩格爾說。就班 Bennett 而言,他說,“我不會為此舉行大型新聞釋出會。”
無論如何,這場爭議不會持續太久。到初秋,普朗克團隊將釋出他們自己關於塵埃偏振的結果,並且至少還有10個其他小組正在使用地面和氣球載儀器進行偏振實驗。“如果訊號存在,”斯佩格爾說,“我們將在兩三年內確切地知道。”
至於關於BICEP2分析的可靠性到底有多高的激烈爭論,爭論雙方的人都同意,這就是科學的運作方式——儘管通常以不那麼公開的方式進行。“這,”斯佩格爾說,“就是香腸是如何製作出來的。”
*編者注(2014年6月6日):本文在釋出後進行了編輯。它最初使用了術語“重力波”而不是“引力波”。