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揭秘原初引力波信号发现背后的故事

2014-04-03 15:37:51  点击数:[热度:]
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南极的日出,BICEP团队的望远镜便是在这里不间断地采集数据

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宇宙的历史示意图,显示了宇宙暴胀及其在宇宙微波背景辐射中留下的印记

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研究生尤斯图斯·布雷维克(Justus Brevik)正在测试BICEP2望远镜

  新浪科技讯 北京时间326日消息,科学上的许多重大发现往往不是平白发生的,而是早就设计好的。本周早些时候,科学家发布了可能是今年最重大的科学突破:他们探测到了原初B模偏振(primordial B-mode polarizations)——宇宙微波背景辐射的一种偏振信号,在大爆炸的短暂片刻后发生的宇宙暴胀时产生。这一消息似乎令人始料未及,类似的重大发现如希格斯玻色子等,在宣布之后的数个月时间里,便一直伴随着猜测、传言甚至是泄密。

  对研究人员来说,对结果把紧口风是标准的做法。没有人希望将只完成一半的数据武断地告诉同事,令对方获得错误的印象,甚至更糟糕的是,研究对手可能会因此占得先机。科学家也是人,而传播闲话是人的天性。然而,在充斥着科学博客以及社交网络的科学界,BICEP2(宇宙超星系偏振背景图像2)合作项目却能一直保持秘密的状态。

  BICEP2的研究人员并没有使用某种牢不可破的联系方式,也没有使用某种无法破解的密码,他们必须依赖彼此保持沉默,直到某一天可以若无其事地向全世界发布一个重大发现。他们是怎么做到的?

  对原初B模偏振的研究开始于2001年的一场网球赛之后。物理学家杰米·博克(Jamie Bock)当时是美国航空航天局喷气动力实验室(JPL)的研究人员(如今就职于加州理工学院),他与一位名为布莱恩·基廷(Brian Keating)的天体物理学博士后定期进行网球比赛,后者如今在加州大学圣地亚哥分校工作。

  “布莱恩会用一个偏振实验来激我,”杰米·博克说,“而每次比赛完了之后我都会说‘啊哈,好的,一定’,过了一阵,他开始说服我这个实验很值得一做。”

  在喷气动力实验室,杰米·博克从事的是专业化探测器(当时还在研制阶段)的研究工作。这种探测器如果装在南极的一个小型望远镜上,就很可能探测到原初B模偏振。他联系到已故的加州理工学院物理学家安德鲁·朗格(Andrew Lange),提议进行这项研究。作为物理学界的知名学者,安德鲁·朗格帮助杰米·博克组建了一个由科学家、博士后和研究生组成的团队。杰米·博克后来成为BICEP项目中四个主要研究者之一,他说:“在他(安德鲁·朗格)的帮助下,整个项目才得以启动。”

  根据大约30年前提出的宇宙暴胀理论,宇宙早期曾经历过一次大规模的快速膨胀。如果这确实发生过,那就会在宇宙中遗留下在大爆炸之后38万年时的特征性光扭曲,即宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background , CMB)——又被称为“宇宙中最古老的光”。然而,在至少二十年的时间里,探测原初B模偏振一直被学界认为是“高风险,高回报”的实验。

  为了探测宇宙暴胀留下的痕迹,需要一台可以辨别温度微小变化的望远镜,甚至精密到1摄氏度的百万分之一。宇宙暴胀也可能会产生一些几乎无法察觉的信号,但如果这些信号被探测到,那这些原初B模偏振就将为物理学打开一个新的世界。

  除了为宇宙暴胀理论提供证据,这些信号还使科学家能够探测早期宇宙不为人所知的能量水平。此外,这些信号也证明了爱因斯坦提出的引力波理论是正确的,为这位伟大科学家的功劳簿又记上一笔。

  天文学家,同时也是芝加哥大学研究生的克里斯托弗·希伊(Christopher Sheehy)说:“有这样的说法,‘拿到B模,你就拿到了诺贝尔奖’。”他于2006年加入了研究团队,在宇宙学家克莱门特·派克(Clement Pryke)的手下从事研究。

  第一个BICEP项目于2006年至2008年在南极进行,不过项目中并没有包括杰米·博克在喷气动力实验室研制的探测器。后继实验——BICEP2——中采用了新的探测器技术,于2010年开始搜集数据,直到2012年。

  “我们在这些早期阶段看到了线索,”哈佛大学的宇宙学家,同时也是BICEP主要参与者之一的约翰·科瓦奇(John Kovac)说,“但我要说,从噪声中找到信号是十分缓慢的过程。”

  一开始,研究团队的每个成员都对所观测到的东西抱着很深的怀疑态度。他们不希望由于过分兴奋而使结果被无意地扭曲。更重要的是,他们此时仍然不能确定原初B模偏振是否能被观测到。

  斯坦福大学的物理学研究生杰米·托兰(Jamie Tolan)说:“我们试图保持某种逻辑性和不偏不倚的态度,来看待数据所告诉我们的东西。”杰米·托兰于2007年加入了研究团队,属于最后一位主要研究者,物理学家郭昭麟(Chao-Lin Kuo)的实验室。

  如果情况变得越来越糟糕,信号最终被证实为什么也不是,那对于BICEP团队来说,这至少为其他合作研究者在未来某一天获得观测结果时,提供了更为严谨的限定。不过随着获得的数据越来越多,“我们意识到确实存在着什么东西,”杰米·博克说道。

  研究团队努力证明这并不是他们曾经探测到的其他错误信号。举例而言,望远镜和其他设备也有可能成为噪声的来源,会产生类似原初B模偏振的信号。“我们不断检查和交叉检查,做高保真模拟,”克里斯托弗·希伊说,“我们需要真正了解这些仪器产生的每个结果,对细节的了解达到了非常罕见的程度。”

  事实上,研究人员使用了两个不同的探测器——一个是BICEP1中较早的技术,另一个应用于BICEP2中——来确保仪器不致成为问题的来源。同一类型的仪器可能会产生某种特定的误差,但对于两种完全不同的技术,就不大可能确定会出现什么问题。此时研究团队还在运行着BICEP2的后继实验:凯克阵列(Keck Array)。这个新型望远镜的能力是BICEP25倍,其提供的数据能帮助科学家检查之前的结果。

  差不多在一年之前的20134月,研究团队在哈佛大学进行了一次为期3天的组会。他们分享了最新的分析结果和想法,试图用各种可能的解释来说明发现的信号。他们争论了两天。巧合的是,会议的最后一天恰好是波士顿马拉松赛的日子,一场爆炸夺去了三个人的生命,导致数百人受伤。

  约翰·科瓦奇说:“在那之后,整座城市进入了高度戒备状态。”研究团队不能聚到一起,便在电话上讨论了起来。他们互相询问是否认为信号是真实的,在他们中间有乐观主义者也有悲观主义者。“有个人说真假是8020,另一个人说是5050,”杰米·博克说,“而那些不认为信号真实的人,我们会问他们为什么这么认为。然后决定还要做什么测试才能说服他们。”

  对杰米·博克来说,这次会议是一个名副其实的分水岭。“那个时候我们就像是,‘哇喔,可恶,可能它就是真的。’”

  研究团队意识到,无论事情多么震撼人心,他们都不希望流传出去的是错误的结果。他们都陷入了沉默状态。在进行测试的同时,他们也加强了内部安全,更换了密码,为团队成员提供新的电子邮件列表。到了12月,研究团队的每一个成员都被说服,接下来他们要说服的是全世界。

  说到保密,BICEP团队相对于其他物理学研究团队有一个巨大的优势:它的规模很小。整个团队只有大约50个人,而核心的分析组成员只有20人左右。相比之下,普朗克太空望远镜团队拥有数百名研究人员,在大型强子对撞机(LHC)中寻找希格斯玻色子则涉及到数千名物理学家。

  克里斯托弗·希伊回忆道,当时并没有特殊的纪律处分来加强保密,“所有人都有着同样的想法,‘不要走漏消息’。”由于科学研究的结果常常事先泄露,有些博客作者猜测,在研究团队宣布消息之前,可能有类似007级别的特工把结果压了下来。研究人员认为这种说法实属无稽之谈。“我们只是希望把完整的工作结果呈现给同行,”约翰·科瓦奇说,“这里面没有什么间谍故事。”

  不过,在消息公布之前大概两周,研究团队不得不让另一些人参与到这一秘密中来。约翰·科瓦奇个人向理论物理学家阿兰·古斯(Alan Guth)寄送了一份论文草稿,后者在30年前提出并命名了宇宙暴胀假说。“我认为正是那时候开始出现了一些传言,”杰米·托兰说,“一旦我们要向更大圈子的人进行说明,这种事情便是不可避免的。”

  兴奋的情绪也开始出现。312日,哈佛大学天体物理学中心向记者们发送了一份神秘通知,宣称在5天之后将举行新闻发布会,“宣布一个重大发现”,除此之外没有透露更多信息。到了周五,一些博客以及卫报的一篇文章第一时间报道了有关发现引力波的传言。周末的时候,对猜测的狂热达到了顶点,物理学界都在等待着哈佛天体物理学中心的声明。

  尽管知道自己的发现非常重要,但研究团队的许多成员在还是面对媒体的关注时有点措手不及。“这个新闻成了大事件,在周四、周五,我接到了来自宇宙学朋友们的10条短信,这种感受是直达肺腑的,”克里斯托弗·希伊说,“这有点像滚雪球,我们也意识到它确实就像所有人所说的,是个不折不扣的大事件。”

  现在,研究结果已经公之于众,也被更多地谈论和分析。从317日开始,宇宙学家们就在推特上争论这些发现。许多科学家在赞赏的同时,也呼吁要谨慎对待,在其他团队证实BICEP2所发现的B模偏振信号之前不能过于兴奋。

  对于研究团队的所有成员来说,这依然是一个伟大的成就。“在周末前往南极的时候我忽然想到,我们亲手建造了这些望远镜,”杰米·托兰说,“你建造了它们,用来探索一些发生在大爆炸之后万亿分之一秒时间里的事情,这是多么的神奇。能够参与其中就已经让人无比兴奋。”(任天)