今年三月，一個在南極操作微波望遠鏡的科學家合作組織宣佈了一項震驚科學界的訊息。他們聲稱觀測到了一個幾乎來自時間開端的訊號。這個被認定的訊號嵌入在引力波作用後遺留下來的輻射中，這些引力波起源於極早期宇宙——大爆炸後僅僅十億分之一的十億分之一的十億分之一秒。
如果得到證實，這項觀測將是近幾十年最重要的觀測之一。它將使我們能夠檢驗關於宇宙如何形成的觀點，而迄今為止，科學家們只能對此進行推測。它將幫助我們將我們關於亞原子（量子）世界的最佳理論與我們關於巨大宇宙的最佳理論——那些基於愛因斯坦廣義相對論的理論聯絡起來。它甚至可能提供令人信服的（儘管是間接的）證據，證明其他宇宙的存在。
自從宣佈這一訊息以來，其他科學家質疑該訊號是否真實。他們的懷疑態度給其他實驗正在進行的觀測注入了新的緊迫性，這些實驗將在明年最有可能明確證實或駁斥這一說法。儘管對於我們是否真的看到了來自嬰兒宇宙的燈塔，陪審團尚未做出裁決，但我們不必等待太久才能知道。我們探索宇宙的當前時刻正處於高度期待之中。
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暴脹之路
我們是如何走到這個戲劇性時刻的？這一切始於早期宇宙的兩個明顯的悖論，而這個燈塔（如果它是一個燈塔的話）可能有助於解決這些悖論。
第一個悖論與宇宙的大尺度幾何形狀有關。自從宇宙在大爆炸中形成以來的138億年裡，它一直在膨脹。即使經過如此長時期的膨脹，它仍然幾乎完全是平坦的。一個平坦的三維宇宙是我們大多數人可能想象我們生活在其中的宇宙——在其中，光平均沿直線傳播。
問題是，廣義相對論暗示，一個平坦的宇宙遠非必然——事實上，這是一個特殊的，或許是不太可能的結果。當物質或輻射是宇宙中能量的主要形式時，就像宇宙歷史上的大部分時間一樣，一個略微不平坦的宇宙會隨著膨脹而迅速偏離平坦宇宙的特徵。如果它曾經僅僅偏離一點點，那麼今天的宇宙看起來就會是開放的——空間彎曲得像馬鞍——或者閉合的——空間彎曲得像球體表面。為了使宇宙今天仍然顯得平坦，它早期的特徵必須經過極其精細的調整。
第二個悖論與宇宙在所有方向上看起來都相同——它是各向同性的事實有關。這很奇怪。來自浩瀚可觀測宇宙一側的光線直到最近才能夠到達另一側。這個距離意味著宇宙的遙遠區域不可能先前相互通訊（物理學家說它們沒有處於“因果接觸”中）。那麼，它們是如何演化得如此相似的呢？
1980年，一位名叫艾倫·古思的年輕博士後物理學家在思考這些悖論時，突然想到了一個解決方案：他根據粒子物理學的思想推測，宇宙可能在誕生後不久就迅速膨脹。古思透過思考粒子物理學標準模型的核心部分——自發對稱性破缺——得出了這個被稱為暴脹的想法，該模型描述了曾經統一的力如何變得分離。
有充分的證據表明，自發對稱性破缺已經在宇宙中至少發生過一次。根據電弱理論，宇宙的兩種基本力——電磁力（磁力和電力的力）和弱力（負責原子核的放射性衰變）——今天看起來不同，僅僅是因為宇宙歷史上的一個偶然事件。曾經，它們是一種單一的、統一的力。
但是，隨著宇宙冷卻，當它大約只有百萬分之一秒的百萬分之一秒大時，它經歷了一次相變（類似於水從液體轉變為冰），這改變了空曠空間的性質。它不是空曠的，而是充滿了背景場（類似於電場，但在這種情況下，是一種不易被探測到的場）。這種背景場，被稱為希格斯場，在整個宇宙中發展起來。
希格斯場影響粒子在空間中傳播的方式。那些與該場相互作用的粒子——例如，傳遞弱力的粒子——會感受到阻力，這導致它們表現得像有質量的粒子。那些不與該場相互作用的粒子——例如，電磁力的載體光子——仍然是無質量的。結果，弱力和電磁力開始以不同的方式表現，打破了原本統一它們的對稱性。這個奇妙的景象在2012年位於日內瓦附近歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）上得到了驗證，希格斯玻色子的發現證實了這一點。
古思推斷，也許在宇宙的過去更早的時候也發生過類似的對稱性破缺事件。在這個事件發生之前，宇宙的四種基本力中的三種——電磁力和弱力，以及強力（負責將質子和中子結合在一起），但不包括引力——可能已經連線在一起。事實上，大量的間接證據表明，這種現象發生在宇宙大約10-36秒大的時候。隨著宇宙冷卻，它可能經歷了一次相變，這也改變了空間的性質，涉及一個背景場，該背景場導致電弱力開始與強力表現出不同的行為——自發地打破了它們的對稱性或連線性。
與希格斯場的情況一樣，這種對稱性破缺場將導致奇異且質量非常大的粒子，但所涉及的質量將遠高於希格斯粒子的質量。事實上，人們需要建造一臺比LHC強大10萬億倍的加速器才能直接探索這種現象背後的理論。我們稱它們為大統一理論或GUT，因為它們將宇宙的三種非引力力統一為一種力。
古思意識到，如果在早期宇宙中發生這種自發對稱性破缺，如果至少在短時間內，負責這種對稱性破缺的場陷入“亞穩態”，就可以解決標準大爆炸的所有問題。
當環境溫度迅速降至冰點以下時，水會進入亞穩態，但街道上的水不會立即結冰；當它最終結冰時——當相變完成時——水會釋放能量，稱為潛熱。
以類似的方式，導致GUT相變的場可能在整個空間短暫地儲存了巨大的潛熱。在暴脹的短暫時期內，這種能量會產生引力斥力，這可能導致宇宙以指數級的速度膨脹。現在可觀測的宇宙的大小可能在不到10–36秒的時間內增加了超過25個數量級。就像吹氣球一樣，這種極端的膨脹也會使我們今天觀測到的宇宙趨於平坦和各向同性，從而自然地解決了宇宙大尺度結構的兩個明顯的悖論。
儘管暴脹的想法可能令人信服，但是，到目前為止，我們還沒有一個關於暴脹究竟如何發生的 фундаментальной 理論，這主要是因為我們不瞭解與大統一相關的細節，例如力將統一的確切能量水平。雖然最簡單的暴脹理論解釋了我們今天在宇宙中觀測到的許多現象，但不同版本的暴脹可能會產生截然不同的宇宙。
我們真正需要的是一種方法來直接探測宇宙，以尋找它確實經歷過暴脹的證據，如果是這樣，則探索與之相關的詳細物理學。引力波，事實證明，提供了這樣一個機會。
引力波特徵
當阿爾伯特·愛因斯坦在1915年發表他的廣義相對論時，他認識到這暗示了一種令人興奮的新物理現象的存在。在廣義相對論中，引力場只是時空底層全域性結構的扭曲。一個隨時間變化的能量源——例如，行星繞太陽或一顆恆星繞另一顆恆星運動——會產生一個隨時間變化的扭曲，該扭曲將以光速從源頭傳播出去。當引力波經過時，附近物體之間的距離會發生非常輕微的變化。
由於引力與電磁力相比非常微弱，因此引力波極其難以探測。愛因斯坦懷疑它們是否會被發現。在他首次預測它們近100年後，我們尚未能夠直接測量到來自災難性天體物理現象（如黑洞碰撞）的引力波（儘管研究人員認為他們正接近目標）。然而，幸運的是，宇宙可以為我們提供一個更強大的引力波源：大爆炸後瞬間的波動量子場。
當宇宙非常年輕時，在暴脹時期之前，它被壓縮成一個比原子尺寸小得多的體積。在如此微小的尺度上，量子力學的規則占主導地位。然而，由於每個微小空間位點中 packed 的能量量非常高，因此這種巨大的能量要求我們使用相對論來描述它。為了理解早期宇宙的性質，我們需要像古思那樣，使用量子場論的思想，量子場論結合了量子力學和狹義相對論——將空間和時間聯絡在一起的理論。量子場論告訴我們，在非常小的尺度上，所有量子力學場都在劇烈波動。如果在暴脹能量密度主導宇宙膨脹的時期內，所有其他量子場的行為都類似，那麼引力場也可能發生了波動。
在暴脹的指數膨脹過程中，任何具有小波長的初始量子漲落都將隨著膨脹而被拉伸。如果波長變得足夠大，則漲落振盪所需的時間將變得比（極其年輕的）宇宙的年齡還要長。量子漲落基本上將被“凍結”，直到宇宙變得足夠老，它才能再次開始振盪。在暴脹期間，凍結的振盪將會增長，這個過程會將這些初始量子振盪放大為經典引力波。
在古思提出暴脹理論的同時，兩組俄羅斯物理學家，阿列克謝·A·斯塔羅賓斯基和瓦列裡·A·魯巴科夫及其同事，分別指出暴脹總是會產生這樣的引力波背景，並且背景的強度僅僅取決於驅動暴脹的場中儲存的能量。換句話說，如果我們能找到來自暴脹的引力波，我們不僅會得到暴脹曾經發生的確鑿證據，還會直接看到驅動暴脹的量子過程。
槍的煙跡
然而，只有當一個潛在的明確的暴脹特徵是可探測的時，它才是有用的。雖然暴脹的尺度預計接近量子引力擺動可能很大的尺度，但引力本身的微弱性似乎使得實際探測來自暴脹的引力波的可能性充其量也是很困難的。
困難但並非不可能。宇宙微波背景輻射或CMB可能會有所幫助。CMB輻射來自年輕宇宙首次冷卻到足以讓質子捕獲電子形成中性原子的時期，這使得宇宙對光線透明，然後光線可以傳播到我們這裡。從這個意義上說，它是宇宙中最古老可見的光。如果引力波在CMB產生時的大尺度上存在，當時宇宙為38萬年，那麼我們或許可以在CMB中看到它的跡象。那時，自由電子將浸泡在輻射浴中，由於大尺度引力波會在一個方向上壓縮空間，而在另一個方向上拉伸空間，因此輻射浴在一個方向上比在另一個方向上更強。如果這種效應足夠大，它可能會在CMB中產生一個小的扭曲，這可能是可探測的。但是引力波也可能產生另一種更微妙的效應。引力波產生的空間扭曲可能導致電子散射的CMB輻射在一個軸上的振幅比在垂直軸上的振幅更大。換句話說，CMB可以被極化。
測量CMB中的極化本身並不能證明引力波的存在。極化還有許多其他可能的原因——它們可能是由CMB中潛在的溫度波動或可能的近景源（如我們星系中極化的塵埃）的發射產生的。然而，人們可以嘗試透過探索天空中極化的空間模式，將引力波的可能影響與其他來源區分開來。
特別是，一種扭曲的模式將是引力波的特徵。其他極化源傾向於產生沒有這種扭曲的模式。兩種可能的空間極化模式稱為E模式和B模式。B模式，即扭曲的型別，與引力波相關，而E模式傾向於由其他來源產生。
這一洞察力出現在1997年，它激發了CMB界的熱情，因為它意味著，即使由原始引力波可能引起的直接溫度變化太小，以至於無法在CMB中的其他溫度扭曲中直接探測到，對CMB極化的測量也可能識別出小得多的引力波訊號。在過去的十年左右，許多地面和天基實驗被設計出來，以尋找暴脹的這個可能的聖盃。
由於實驗人員已經測量了宇宙微波背景輻射中的溫度波動，研究人員以比率的形式呈現他們的結果：引力波極化訊號與測量的溫度波動訊號的大小之比。這個比率在文獻中用r表示。
新結果
直到今年，只報告了CMB極化的上限——也就是說，我們知道它們不可能大於這些上限，否則我們就會看到它們。歐洲航天局的普朗克衛星報告說，根據其測量結果，r可能在零到大約0.13的上限之間的任何位置，這意味著沒有引力波。因此，當南極的宇宙外背景成像極化2（BICEP2）實驗在3月份宣佈它已經發現了一個大約為0.2的r值時，物理學界感到震驚——該值大於普朗克衛星指示的上限——這表明引力波的存在。它當時還宣佈，由虛假的背景產生的觀測訊號的可能性不到百萬分之一。關於該訊號的一切都反映了來自暴脹的預期訊號的特徵。
唉，截至本文撰寫之時，情況仍然不明朗。極化觀測非常困難，雖然在統計學上，訊號是清晰的，但其他可能的天體物理過程可能會產生可能模仿來自暴脹的引力波訊號的效果。
雖然BICEP2團隊檢查了許多可能的汙染物，但最難排除的是我們星系中極化塵埃發射的輻射。BICEP2合作組織研究了他們設想的我們星系中可能的塵埃濃度，並得出結論，這些來源並沒有強烈汙染其訊號。但在隨後的幾個月中，普朗克衛星報告了新的測量結果，表明銀河系可能包含比BICEP2團隊假設的更多的塵埃。一些小組試圖根據這些新資料重新分析BICEP2訊號，並結合來自其他實驗的更精細的塵埃背景模型，並得出結論，塵埃有可能重現所有（或大部分）聲稱的BICEP2極化訊號。
儘管這些發展削弱了物理學界許多人對BICEP2結果的興奮，但BICEP2團隊堅持其估計——但它現在承認無法排除塵埃解釋。然而，科學家們指出，觀測到的頻譜形狀與暴脹預測非常吻合——比塵埃預測要好一些。
更重要的是，許多新的實驗正在上線，這些實驗可以闡明塵埃發射，並在不同尺度和不同方向上探索極化訊號。按照科學的最佳傳統，BICEP2的經驗驗證或反駁應該可以在本文發表後的一年左右實現。
引力波揭示了什麼
如果BICEP2訊號得到證實，我們觀察宇宙的經驗視窗將比人類歷史上幾乎任何其他時候都擴大更多。引力波與物質的相互作用非常微弱，以至於它們可以基本上不受阻礙地從時間之初傳播。BICEP2的發現不僅代表了引力波本身的首次探測——廣義相對論的基本預測——這些波還將為我們提供宇宙可能只有10–36秒大時的物理學的直接訊號，比CMB光產生時早49個數量級。
如果BICEP2訊號確實是來自暴脹的確鑿證據，我們將對宇宙有更多瞭解。首先，推斷出的引力波訊號強度將意味著暴脹發生在能量尺度上，該能量尺度非常接近自然界中三種非引力力在大統一理論中結合在一起的能量尺度——但這隻有在一種稱為超對稱性的新的自然對稱性存在的情況下才成立。反過來，超對稱性的存在可能意味著存在大量新的粒子，它們的質量範圍可以在LHC在2015年再次啟動時探測到。因此，如果BICEP2是正確的，那麼2015年可能是粒子物理學的又一個豐收年，它將揭示可能解釋基本力性質的新現象。
發現來自暴脹的引力波還有另一個不那麼投機的含義。正如我之前描述的那樣，當引力場中的原始量子漲落在暴脹期間被放大時，應該會產生這樣的波。但如果是這種情況，那麼這表明引力必須由量子理論來描述。
這個問題尤為重要，因為到目前為止，我們還沒有完善的引力量子理論——也就是說，一種使用支配物質和能量在最小尺度上行為的規則來描述引力的理論。弦理論可能是迄今為止最好的嘗試，但沒有證據表明它是正確的，或者它可以始終如一地解決完整的引力量子理論必須解決的所有問題。此外，正如新澤西州普林斯頓高等研究院的弗里曼·戴森指出的那樣，沒有陸地裝置能夠探測到單獨的引力子，即被假定為傳遞引力的量子粒子，因為任何這樣的探測器都需要如此巨大和稠密，以至於它會在完成觀測之前坍縮形成黑洞。因此，正如他推測的那樣，我們永遠無法確定引力畢竟是由量子理論描述的。
然而，如果來自暴脹的引力波確實出現，那麼它們似乎可以推翻戴森的論點。但仍然存在一個漏洞。如果我們發現來自暴脹的引力波，它們是經典的（非量子的）物體，我們可以使用量子力學計算這些波的起源。然而，每個經典物理學結果，包括棒球的運動，都可以用量子力學來計算。僅僅看到棒球在飛行並不能證明量子力學是其背後的原因——事實上，即使量子力學不存在，它的運動也是相同的。我們需要證明的是，來自暴脹的引力波的產生，與棒球的運動不同，來源於量子過程。
最近，我的同事麻省理工學院的弗蘭克·維爾切克和我彌補了這個剩餘的漏洞。使用物理學中最基本的技術，所謂的量綱分析，它根據描述質量、空間和時間的單位來探索物理現象，我們能夠從非常普遍的角度證明，如果普朗克常數（控制世界中量子力學效應大小的量）消失，則僅由暴脹引起的引力波背景將消失。因此，如果BICEP2是正確的，並且如果它正在測量來自暴脹的引力波，那麼引力必須由量子理論來描述。
對多元宇宙的啟示
從理解我們宇宙的起源以及為什麼它存在的令人煩惱的問題的角度來看，透過觀察引力波來探測暴脹有可能將許多人認為是最宏大的形而上學推測之一變成硬科學。
回想一下，暴脹是由一個在相變期間儲存和釋放大量能量的場驅動的。事實證明，這個必要的場的特徵意味著，一旦這個過程開始，驅動暴脹的場將傾向於無限期地繼續膨脹宇宙。暴脹將無休止地進行下去，阻止我們所知的宇宙的創造，因為任何先前存在的物質和輻射都會被膨脹稀釋，只留下快速膨脹的空曠空間。
然而，斯坦福大學的物理學家安德烈·林德找到了一種擺脫這個問題的方法。他表明，只要空間中的某個小區域在充分膨脹後完成了相變，這個區域就可以包含我們今天觀測到的整個宇宙。在空間的其餘部分，暴脹可以永遠持續下去，在不同的位置形成小的“種子”，相變可能會在這些位置完成。在每個這樣的種子中，一個經歷熱大爆炸膨脹的孤立宇宙將會出現。
在這樣一個“永恆暴脹”的圖景中，我們的宇宙是更大的結構的一部分，這個結構可能是無限大的，並且最終可能包含任意數量的斷開連線的宇宙，這些宇宙可能已經形成、可能正在形成或將會形成。此外，由於每個種子中結束暴脹的相變發生的方式，支配每個結果宇宙的物理學可能會有所不同。
這種可能性被稱為多元宇宙假說，表明我們的宇宙可能是一個可能數不清的單獨的、物理上不同的宇宙之一。在這種情況下，我們宇宙中的基本物理常數之所以如此，可能僅僅是偶然。如果它們有任何不同，像我們這樣的生物可能無法進化來測量它們。
這個建議，通常被有些自負地標記為人擇原理，對許多人來說是令人厭惡的，並且導致了物理學家尚未解決的許多可能的問題。對於許多人來說，多元宇宙和人擇原理表明，基礎物理學可能顯得多麼偏離通常被認為是合理的經驗科學的軌道。
但是，如果BICEP2（以及LHC和其他實驗）使我們能夠探測暴脹和大統一現象，我們或許能夠唯一地確定支配宇宙在這些能量和時間尺度上的基本物理學。其中一個結果可能是，產生我們觀測到的宇宙的暴脹轉變需要林德的永恆暴脹。在這種情況下，雖然我們可能永遠無法直接觀察到其他宇宙，但我們將像20世紀早期的前輩們那樣確信它們的存在，即使他們當時也無法直接觀察到原子。
BICEP2是否會像早期導致原子量子理論的實驗一樣，為理解未來的物理學提供革命性的指導？我們尚不知道。但是，非常有可能的是，它，或者可能是隨後的CMB極化探測器，可能會開啟一扇通往宇宙的新視窗，這將帶我們回到時間的開端，併到達可能使20世紀物理學提供的狂野之旅相形見絀的距離和現象。