3月17日，由四位天體物理學家組成的小組在馬薩諸塞州劍橋市的哈佛-史密森天體物理中心舉行了一次新聞釋出會，宣佈他們發現了宇宙微波背景 (CMB) 中的特徵，這些特徵與來自宇宙最初時刻的引力波一致。小組成員、斯坦福大學的郭兆林表示，結果與數十年前的暴脹理論的預測相符，為宇宙大爆炸後瞬間，我們的宇宙膨脹速度超過光速提供了第一個直接證據。
郭設計了負責這項突破的望遠鏡中的靈敏光子探測器。在南極寒冷乾燥的大氣中，宇宙外星系偏振背景成像 (BICEP2) 望遠鏡收集了來自 CMB 的光子，這是 138 億年前宇宙大爆炸的殘留物。描述捕獲光子的強度和偏振的資訊透過衛星傳輸給在各個研究所工作的 47 位研究人員組成的國際合作團隊。漸漸地，出現了一種偏振光模式。研究人員最初不願將資料解釋為原始引力波的證據。他們努力排除對訊號的替代解釋，包括這種模式不是由引力波而是由銀河系中的塵埃產生的可能性。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
然而，隨著時間的推移，BICEP2 團隊確信，捲曲的“B 模式”偏振模式是由暴脹期間的引力波產生的。在新聞釋出會的同時，BICEP2 團隊釋出了一份未經同行評審的預印本論文，詳細介紹了他們實驗的方法和結果，並寫道“B 模式宇宙學的新時代已經開始。” 斯坦福大學公共事務辦公室製作了一段影片剪輯，記錄了郭向暴脹理論的創始人之一、斯坦福大學物理學家安德烈·林德釋出關於這項發現的訊息。這段感人的影片在網上瘋傳，截至撰寫本文時，在 YouTube 上的觀看次數已達 280 萬次。
然而，發現的欣快感並沒有持續多久：5 月，歐洲航天局的普朗克空間天文臺釋出了 CMB 塵埃偏振圖，這削弱了 BICEP2 聲稱發現引力波的說法。宇宙學家發表論文 批評 BICEP2 的說法，理由是 B 模式訊號可能是由漂浮在望遠鏡觀測前景中的矽塵產生的。
6 月中旬，《物理評論快報》發表了 BICEP2 的修訂論文。研究人員堅持測量本身的準確性，但指出銀河塵埃可能對他們之前認為是引力波的現象負責。
在修訂論文發表前幾天，《量子雜誌》在芝加哥大學的一次宇宙學會議上採訪了郭。這是該對話的濃縮和編輯版本以及電子郵件的後續。
量子雜誌：您在 BICEP2 中的角色是什麼？
郭兆林：我設計了超導天線技術，並監督了噴氣推進實驗室望遠鏡的建造。利用這項技術，我們製造了一種能夠探測原始引力波存在的儀器。現在，我們透過建造凱克陣列（一臺額外的望遠鏡）大大提高了 BICEP2 的靈敏度，凱克陣列部署在 BICEP2 旁邊。我們還在研究下一代望遠鏡，稱為 BICEP3。凱克陣列和 BICEP3 將在 BICEP2 停止的地方繼續尋找引力波。
在網上瘋傳的 YouTube 影片中，您對安德烈·林德說出了“r = 0.2”這句話，他欣喜若狂。這個方程式是什麼意思？
在 20 世紀 90 年代中期，理論家們意識到，我們可以透過觀察宇宙微波背景的偏振狀態來直接尋找引力波。使用 BICEP2 望遠鏡，我們花了三年時間繪製出南極天空一小片區域的偏振圖。不要太技術性，但 CMB 的偏振歸結為找到兩種不同型別的模式，稱為 E 模式和 B 模式。
我們發現，我們觀察到的微波背景偏振中有 20% 是 B 模式，這可能是由引力波或銀河塵埃和其他來源引起的。使用來自其他 CMB 實驗的可用塵埃圖，我們排除了銀河塵埃或其他來源導致我們觀察到的大部分 B 模式訊號的可能性，引力波是最簡單的解釋。
方程式“r = 0.2”表示總偏振的 20% 是由引力波引起的。重要的是，這意味著我們可以評估暴脹的能量尺度。如果 r = 0.2，則能量尺度足夠高，以至於在宇宙誕生時，引力和量子力學必定已經結合在一起。這驗證了林德和其他宇宙學家（如艾倫·古思）提出的大場暴脹模型。
當您開始時，您是否期望驗證暴脹理論？
作為一名實驗學家，我尋找可檢驗的想法，而暴脹理論做出了可檢驗的預測。我個人很喜歡暴脹理論的解釋力。但我是一名實驗學家，我的工作是進行測量，讓理論的結果順其自然。
在 BICEP2 宣佈發現引力波後，包括拉斐爾·弗勞格、戴維·斯珀格爾、邁克爾·J·莫滕森和烏羅什·塞利亞克在內的許多宇宙學家撰寫論文稱，您和您的同事解釋為引力波證據的 B 模式也可能同樣是由銀河塵埃雲引起的。他們是正確的嗎？
在科學中提出替代解釋是一個非常正常的過程。BICEP2 在 150 GHz 的頻率下看到了非常顯著的 B 模式偏振水平。我們嘗試了一年讓訊號消失，但我們失敗了——它仍然存在。我們現在確信它來自天空，而不是來自儀器偽像。十多年來，天文學家一直在模擬我們銀河系前景中的偏振塵埃，其偏振度較低或中等，約為 5%，不足以解釋我們的訊號。並且有一些支援證據表明 B 模式訊號是來自十年前 BICEP1 望遠鏡在 100 GHz 頻率下收集的資料的引力波。引力波仍然是一個非常可能的解釋，也是最經濟的解釋。
但在 5 月初，在我們釋出預印本後，普朗克合作組織釋出了來自其 350 GHz 偏振測量的塵埃偏振資料。該資料顯示，整個天空的塵埃偏振比我們預期的更為顯著。
新的普朗克資料釋出對您在 3 月宣佈的引力波發現意味著什麼？
普朗克地圖沒有覆蓋我們望遠鏡觀測的南極地區。普朗克很快將釋出更多資料。如果我們“運氣不好”，普朗克觀測到的偏振塵埃可能可以解釋我們所有的 B 模式訊號。所以我們拭目以待。
在《物理評論快報》上發表的修訂後的 BICEP2 論文中，您的團隊對其最初的發現表示不太確定。為什麼？
在我們釋出預印本之前，我們從普朗克獲得的所有資訊都是一年多前在簡報幻燈片中的一張地圖。當我們檢視幻燈片時，我們對影像的含義做出了假設，然後我們根據該假設對塵埃偏振進行了最佳估計。我們的假設基本上與先前對銀河塵埃偏振的模型一致。我們無法完全核實我們的假設，因為幻燈片是我們唯一可以訪問的普朗克塵埃圖。在修訂後的論文中，由於不確定性，我們刪除了基於普朗克影像的塵埃模型。
您沒有訪問普朗克的原始資料嗎？
當我們對塵埃偏振覆蓋率做出假設時，我們沒有普朗克的原始資料。當普朗克釋出資料時，它從地圖中排除了我們在南極的觀測區域。當普朗克釋出更多關於我們天空區域的塵埃偏振資料時，我們將更好地瞭解 B 模式是引力波還是塵埃。
鑑於新的普朗克資料和隨後的批評，您對宣佈發現引力波有何感受？
我們一直承認塵埃存在不確定性。現在，這種不確定性似乎更大了。
您一定對結果有情感投入。
就我個人而言，我只關心真相。我不擔心一直看起來很好。我只關心我們在資料中看到的偏振訊號有多少是由塵埃引起的，有多少是由原始引力波引起的。作為實驗學家，我們希望進行儘可能好的測量。當記者說“哦，你做錯了什麼！”時，這讓我很受傷。事實是，我們現在已經根據新的資訊調整了我們的解釋。重要的是，資料點沒有移動分毫。只有解釋發生了演變。
BICEP2 團隊中的每個人都同意最初的解釋，即過量的 B 模式訊號是由引力波引起的嗎？
根據我們在釋出預印本時掌握的資訊，關於資料確實沒有什麼可不同意的。我們很快將從普朗克、凱克陣列和 BICEP3 獲得更多資料。無論 BICEP2 訊號最終被證明是前景塵埃還是原始引力波，我們都將繼續推進我們的研究。
競爭尋找引力波的研究小組是否應該在宣佈發現之前共享原始資料？
我們確實計劃與其他小組合作共同分析我們的資料。資料釋出並非易事。各個小組處理 CMB 資料的方式不同，儀器屬性也不同，必須加以理解。一項名為 CMB-S4 的合作正在 2020 年進行中，該合作呼籲不同研究小組之間進行更多資料共享。
這一切有什麼教訓可以吸取嗎？
對於外行人來說，解釋過程可能顯得有些混亂，但我們在科學方面正在取得快速進展。再說一遍，我只關心找到答案。
經 量子雜誌 許可轉載，量子雜誌是 SimonsFoundation.org 的一個編輯獨立部門，其使命是透過報道數學、物理和生命科學的研究進展和趨勢來提高公眾對科學的理解。