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研究人員今天宣佈，物理學家們在來自大爆炸的光中發現了一種長期預測的扭曲，這代表著宇宙漣漪（稱為引力波）的首張影像。這一發現直接證明了暴脹理論，即宇宙在誕生後的最初納秒內以極快的速度膨脹。專家表示，更重要的是，訊號比預期的要強烈得多，排除了一大類暴脹模型，並可能為新的物理學理論指明方向。
約翰·霍普金斯大學物理學和天文學教授馬克·卡米翁科夫斯基說：“這太棒了。”他沒有參與這項發現，但在1997年就預測瞭如何找到這些引力波印記。“你不是每天醒來都能發現關於早期宇宙的全新事物。對我來說，這絕對值得獲得諾貝爾獎。”
南極的宇宙超背景星系外偏振成像 2 (BICEP2) 實驗在宇宙微波背景 (CMB) 中，即大爆炸後不久遺留下來的光中，發現了一種稱為原始 B 模式偏振的模式。這種模式，基本上是光偏振或方向的捲曲，只能由暴脹產生的引力波產生。“它看起來像是天空中的漩渦圖案，”斯坦福大學物理學家、BICEP2 探測器的設計師郭兆林說。“我們發現了暴脹的鐵證，並且我們也製作了首張跨越天空的引力波影像。”
物理學家表示，如此具有突破性的發現需要其他實驗的證實才能真正令人信服。儘管如此，該結果還是贏得了該領域許多領導者的讚揚。“有可能它是錯誤的，但我認為結果極有可能站得住腳，”麻省理工學院的艾倫·古斯說，他於 1980 年首次預測了暴脹。“我認為他們在分析方面做得非常出色。” BICEP2 探測器發現了驚人強烈的 B 模式偏振訊號，為他們提供了足夠的資料來超過真正發現的“5-sigma”統計顯著性閾值。事實上，研究人員非常驚訝地在資料中看到了如此耀眼的訊號，以至於他們推遲了一年多才釋出它，尋找他們發現的模式的所有可能的替代解釋。最後，當 BICEP2 在同一地點的繼任者 Keck 陣列上線並開始顯示相同的結果時，科學家們感到確信。“這在讓我們相信這是真實的東西方面發揮了主要作用，”郭說。
宇宙微波背景是瀰漫整個天空的微弱光芒，可以追溯到大爆炸後僅 38 萬年。在那之前，嬰兒宇宙太熱太稠密，光無法在不碰撞物質的情況下傳播很遠。當它冷卻到可以形成中性原子的程度時，光被釋放出來，可以不受阻礙地穿過太空，併成為 CMB。這種光芒是 1964 年由阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜意外發現的，他們最初誤認為是鴿子糞便落在天線上造成的干擾。最終，科學家們意識到他們發現了來自原始宇宙的印記，這一發現為他們贏得了 1978 年的諾貝爾物理學獎。“CMB 中出現的東西真是太神奇了，”威爾遜說。“最初我沒有意識到可能會從中獲得多少資訊。從我的角度來看，這是一次奇妙的旅程。”
BICEP2 使用約 250 個縮圖大小的偏振探測器來尋找透過其位於南極站的望遠鏡，在兩個垂直方向上來自一小塊天空的 CMB 光的差異。該儀器在 2010 年 1 月至 2012 年 12 月期間在阿蒙森-斯科特南極站收集資料，那裡的寒冷乾燥的空氣提供了特別穩定的觀測條件。另一項在那裡的實驗，南極望遠鏡，報告去年發現了 B 模式偏振，儘管它看到的訊號在天空中的不同角度尺度上，並且顯然是由於已知的大星系對 CMB 的引力透鏡效應（由巨大物體引起的光線彎曲）過程造成的，而不是此處看到的原始引力波。
BICEP2 在搜尋 CMB 中的 B 模式偏振方面有很多競爭對手：其他專案包括普林斯頓大學領導的阿塔卡瑪 B 模式搜尋 (ABS)；加州大學伯克利分校領導的 POLARBEAR 實驗；明尼蘇達大學執行的高空氦氣球 E 和 B 實驗 (EBEX)；約翰·霍普金斯大學領導的宇宙學大角度尺度巡天 (CLASS)；以及其他許多專案。鑑於 BICEP2 團隊看到了如此清晰的訊號，如果結果是真實的，這些搜尋應該很容易證實這些結果。“現在這只是冰山一角，”卡米翁科夫斯基說。“在未來幾年，我們將能夠從這些測量中提取大量資訊。這是一件好事，不僅對於發現它的人，而且對於那些被他們搶先的人來說也是如此”，因為不同的實驗應該收集互補的資料。
BICEP2 研究人員報告了一個令人驚訝的大的 r 值，即 CMB 中引力波漲落與物質密度擾動引起的漲落之比。根據威爾金森微波各向異性探測器 (WMAP) 和普朗克衛星的全天 CMB 地圖，該值之前估計小於 0.11。然而，BICEP2 的值約為 0.20。“一切都取決於這個小小的 r，”古斯說，“並且這個測量結果改變了很多。事實上，上週看起來被排除在外的模型現在是本週受到青睞的模型。” 例如，如此高的 r 值表明，暴脹開始的時間甚至比某些模型預測的還要早，在大爆炸後萬億分之一萬億分之一秒。
反過來，暴脹的時間告訴物理學家宇宙在暴脹發生時的能量尺度。BICEP2 的 r 值表明，這與除引力（電磁力、強力和弱力）之外的所有自然力都可能統一為單一力（稱為大統一理論）的能量尺度相同。這一發現支援了大統一的思想，並排除了許多不具備這種能量尺度的暴脹模型。“這真的大大縮小了合理的暴脹模型的空間，”卡米翁科夫斯基說。“與其在乾草堆裡找針，我們不如在沙桶裡找針。” 大統一理論暗示存在類似於 2012 年發現的與希格斯玻色子粒子相關的希格斯場的新場。反過來，這些新場將表明也存在其他更重的希格斯玻色子粒子，儘管它們的質量如此之高，以至於不可能在任何傳統的粒子加速器中產生。“這種測量使我們能夠將早期宇宙用作新能源範圍物理學的實驗室，而這些能量範圍是我們原本無法企及的，”卡米翁科夫斯基說。