本文發表在《大眾科學》的前部落格網路中，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
來自BICEP2的爆炸性宣告的衝擊波仍在迴盪，他們聲稱發現了宇宙學的聖盃：來自暴脹的引力波的明顯訊號。但這一發現究竟意味著什麼？它將對宇宙學產生什麼影響？
大約138億年前，就在我們大爆炸後的僅僅40萬年，我們可觀測宇宙中的一切都是炙熱的等離子體，與太陽表面並無太大區別。這種等離子體的照片，我們宇宙大約在40萬歲時的嬰兒照片，已經徹底改變了現代宇宙學，並引發了兩項諾貝爾獎。現在，一組天文學家花了三年時間，從南極的最先進望遠鏡中，放大了天空約 1% 的區域，拍攝了這張等離子體更清晰的照片，包括其偏振，並發現它以一種誘人的方式扭曲了。
在新聞釋出會上，我見到了艾倫·古思和安德烈·林德，他們的宇宙暴脹理論預測了這種扭曲，他們看起來比上面的左圖還要高興。如果他們看起來像右圖那樣扭曲，你可能會懷疑是否有人在你的早咖啡裡偷偷加入了迷幻藥。或者是否引力波——時空結構的扭曲——在你和他們之間穿過，彎曲了你看到的光線。BICEP2 表明，長度接近十億光年的巨大引力波正在扭曲他們宇宙的嬰兒照片。
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產生如此強大的引力波需要極端的暴力。例如，兩個黑洞的災難性碰撞，將超過太陽質量的物質擠壓到一個小於一座城市的體積中，可以產生美國LIGO 實驗希望探測到的引力波——但這些波只與產生它們的物體對一樣大。那麼，鑑於我們的宇宙似乎不包含任何足夠大的物體來製造它們，是什麼可能創造了 BICEP2 看到的巨大波浪呢？
這個問題的答案解釋了為什麼艾倫和安德烈在微笑：暴脹！他們的暴脹理論以最簡單的形式預測，我們的宇宙曾經比一個原子還小，每 0.00000000000000000000000000000000000001 秒左右重複擴大一倍，而這種快速擴大正是足夠劇烈地產生 BICEP2 觀察到的強度和長度的引力波！雖然聽起來這種膨脹物質的重複擴大會違反能量物理定律（特別是能量守恆），但實際上並沒有，這要歸功於愛因斯坦廣義相對論中的一個漏洞。我在我的新書我們的數學宇宙的第 5 章中詳細解釋了暴脹的物理學及其後果，以防您對它的工作原理感到好奇。當膨脹物質最終衰變成普通物質時，由此產生的熱等離子體最終冷卻並聚集成了今天點綴我們宇宙的星系、恆星和行星。
那麼，我們應該以多認真地對待暴脹？即使在 BICEP2 之前，暴脹已經成為對早期發生的事情最成功和最流行的理論，因為實驗逐漸證實了它的一項又一項預測：我們的宇宙應該很大、膨脹且大致均勻、各向同性和平坦，宇宙嬰兒照片中的微小波動大致具有尺度不變性、“絕熱”和“高斯”特性。對我和我的許多宇宙學同事來說，BICEP2 發現的引力波提供了確鑿的證據，因為它真正印證了這一點，因為我們缺乏其他令人信服的解釋。例如，作為暴脹最流行的替代方案出現的宇宙的 ekpyrotic 和迴圈模型現在突然被排除在外，因為它們無法解釋 BICEP2 的引力波探測。
這意味著如果 BICEP2 的結果成立，並且我們認真對待暴脹，那麼我們也需要理解並認真對待暴脹預測的一切——而這些預測形成了一個相當長的列表！首先，暴脹宇宙學 (“IC”) 從根本上改變了我曾經學習的傳統宇宙學 (“TC”) 教科書中給出的關鍵問題的答案
問：是什麼導致了我們的大爆炸？TC：沒有解釋——方程式只是假設它發生了。
IC：一個爆炸性的亞原子大小的膨脹材料小點的尺寸重複擴大。
問：我們的大爆炸發生在單一點嗎？
TC：不是。
IC：幾乎：它始於一個比原子小得多的空間區域。
問：我們的大爆炸爆炸發生在空間的什麼位置？
TC：它發生在所有地方，在無限多的點，同時發生，沒有對同步的解釋。
IC：在那個很小的區域——但暴脹將其擴充套件到大約一個葡萄柚的大小，生長得如此之快，以至於隨後的擴張使其大於我們今天看到的所有空間。
問：如何在一個有限的時間內創造出一個無限的空間？
TC：沒有解釋——方程式只是假設，只要有任何空間，它的大小就是無限的。
IC：透過利用愛因斯坦廣義相對論中的一個巧妙漏洞，暴脹透過永遠持續下去產生無限多的星系，而其中一個星系中的觀察者會以不同的方式看待空間和時間，認為空間在暴脹結束時就已經無限大了。
問：空間有多大？
TC：沒有預測。
IC：可能是無限的。
由於最後這個預測，BICEP2 的發現應該會讓多元宇宙懷疑論者感到沮喪——至少在這個特定的宇宙中。這是因為亞歷克斯·維倫金、安德烈·林德、艾倫·古思和其他人已經表明，暴脹普遍創造的空間不僅是無限的，而且均勻地充滿了物質，這些物質形成了無限多的星系。這反過來意味著，無論一個星系與我們的星系無法區分，包含一個生活至今與你完全相同的人的可能性有多小，機率都不會為零，因為它顯然在這裡發生過。這意味著在遙遠的空間中一定有你的重複副本，並且也有與你類似的版本在過著你生活的無數變體。現在，懷疑論者更難透過說“暴脹只是一種理論”來駁斥這一點——首先他們需要提出另一個令人信服的解釋來解釋 BICEP2 的引力波。
我認為如果 BICEP2 的發現成立，它將成為科學史上最偉大的發現之一。它在短短一次巨大的飛躍中，將我們的知識前沿在時間上向後推進了 38 個數量級，從大爆炸後幾秒鐘產生氦氣到第一秒的幾萬億分之幾的萬億分之一的千萬億分之一的暴脹。這教會了我們關於能量的物理學，這種能量比大型強子對撞機產生的能量大一萬億倍，這對於弦理論和其他將四種基本力統一為一個一致理論的探索具有重要意義。
此外，這是一個驚人的突破，不僅涉及我們的宇宙起源，還涉及空間的本質：透過首次探測到霍金/昂魯輻射（暴脹的快速加倍產生這些引力波的過程），BICEP2 團隊發現了量子引力的第一個實驗證據。
那麼未來會怎樣？一旦慶祝活動結束，我們將期待看到今天的公告是否經得起時間的考驗。等待不會太久，因為許多其他實驗一直在與 BICEP2 競爭，很快就會有資料來證實或反駁他們的發現。許多問題應該在 10 月份就會得到澄清，屆時普朗克衛星實驗將釋出其第一張宇宙等離子體的偏振影像。普朗克將製作第一張好的偏振塵埃圖，並確定其汙染效應是否像 BICEP2 假設的那樣小。它還將改進一個稱為“tau”的引數的估計，該引數與第一批恆星電離我們宇宙的時間有關。我個人的猜測是，他們會發現這些恆星的形成時間比目前假設的要晚，這（由於複雜但眾所周知的原因）將降低普朗克對我們宇宙有多密集的估計，不僅有助於使普朗克對引力波的約束與 BICEP2 的探測更好地一致，而且還可以使普朗克對星系團數量的預測與我們觀察到的情況相符。
如果BICEP2被證實是正確的，它至少應該會帶來一項諾貝爾獎。展望未來，我敢打賭，首個專門設計用於測量暴脹引力波的衛星將會獲得資助（既然我們知道有訊號可以測量），這可以確定暴脹期間宇宙倍增率如何隨時間變化。這為區分特定的暴脹模型提供了一個絕佳的方法，並可以檢驗屆時可能獲得可信度的任何暴脹競爭者（例如，弦氣體模型預測增加，而所有暴脹模型都預測減少）。
但首先，讓我們慶祝科學史上最激動人心的時刻之一！最重要的是，這感覺就像是奧卡姆剃刀的巨大勝利：儘管多年來出現了無數複雜的暴脹模型，但BICEP2的資料卻與簡單的“經典”暴脹完美契合，在極客圈中被稱為單一慢滾標量場。安德烈·林德在新聞釋出會上看起來特別高興，也許是因為現在已經測量了兩個數字，它們可以作為暴脹模型的一種指紋：n=0.9608±0.0054（由普朗克報告，量化了嬰兒圖片中小斑點與大斑點的比例）和r=0.16±0.05（由BICEP2報告，量化了校正銀河系無線電噪聲後的引力波振幅）。這些測量結果與最簡單的模型——可以說就是安德烈自己最喜歡的模型——的特定預測驚人地一致，該模型的勢能曲線是一個簡單的拋物線，預測n=0.96和r=0.15。我認為奧卡姆的威廉會印象深刻！