大爆炸的一个关键部分仍然难以捉摸

一切都始于一声巨响。在难以想象的短暂一瞬间，胚胎宇宙以难以想象的速度膨胀。转瞬之间，不完美的点点延伸成宇宙的伤痕，并锁定在我们今天所经历的宇宙中，一个充满星系、恒星、行星和人类的环境。

关于这一起源故事（称为膨胀）的间接证据是压倒性的。它启发了一代宇宙学家撰写论文、开设课程并出版有关膨胀可能发挥的各种方式的教科书。然而，仍然难以找到确凿的证据：时空中的古老涟漪应该在天空中留下了特殊的印记，但搜索屡屡无果。

一组天文学家，即 BICEP/Keck 合作小组，正在领导对这些“原始引力波”的搜寻。周一，研究人员公布了他们的最新成果，这是多年来在地球上最恶劣的地方之一辛勤工作的结晶。再一次，他们没有发现猎物的踪迹。如果膨胀的宇宙会与引力波产生共鸣——正如大多数宇宙学家仍然完全预期的那样——那么它一定是以一种相当微妙的方式这样做的。

明尼苏达大学天体物理学家、BICEP/Keck 合作小组成员克莱姆·普赖克 (Clem Pryke) 表示：“我们目前排除了最简单的味道。[这一结果] 推翻了之前非常流行的膨胀理论。”

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第一瞬间

自从宇宙冷却到足够透明的程度以来，宇宙中最古老的光已经在太空中流动了 130 多亿年。天文学家精确地绘制了这种“宇宙微波背景 (CMB)”，并利用它了解到宇宙整体上是惊人的均匀的，而且一直如此。CMB 表明，当宇宙只有 38 万年的历史时，它各处的物质密度几乎相同。如今，天文学家可以看到各个方向的星系。

但 CMB 却略显团块，而且聚集的方式很特别。密集和稀疏的斑点大小不一，从非常小到非常大。今天我们看到了一种相关的模式，从单个星系到巨大的星系团。

宇宙是如何变成这样的？暴胀理论将时钟回溯得更远，试图解释在宇宙诞生的第一个 0.000000000000000000000000000000000000000001 秒内，各种大小的块状物是如何形成的。在此期间，微小的宇宙充满了能量，量子理论占据了主导地位。在量子领域，没有什么是完全恒定的。亚原子的抖动不断地给暴胀的宇宙引入微小的缺陷，调整了物质的密度，这些物质最终会变成光、物质、暗物质等等。不断膨胀的宇宙不断拉伸这些瑕疵，同时更新、更小的波动不断出现，从而产生了各种大小的亮点。最终，CMB 记录下了最终产物。“暴胀自然会产生这种类型的块状物，”普赖克说。  

缺失的部分

故事就是这样的。膨胀理论已经成为宇宙诞生的主要理论，因为它准确地解释了天文学家在研究物质、暗物质等形成的大规模模式时所看到的东西。

但有一种模式他们却没有发现。时空结构本身在量子尺度上无法保持完全静止，膨胀应该会将这些初始震动拉伸成适当的波，就像它对物质和其他一切所做的那样。这些原始引力波会在 CMB 中留下微弱的痕迹，即光中被称为“B 模式偏振”的特定螺旋。如果模式足够明显，天文学家今天有能力直接探测到这些螺旋，但至今尚未发现任何螺旋。

令人沮丧的是，宇宙中充斥着以类似旋转方式发光的物质。例如，BICEP 团队于 2014 年胜利地宣布发现原始引力波，但后来才得知，他们捕捉到的只是银河系恒星间磁场中流动的尘埃颗粒发出的微弱热光。

迄今为止最低的上限

BICEP/Keck 合作组花费了数年时间改进方法，并在南极建造了一系列望远镜，那里清爽干燥的空气为人们提供了清晰的宇宙视野。他们的最新成果结合了最近三代南极望远镜的数据和其他实验。

十多年来，他们将传感器的数量从几十个增加到数千个。而且至关重要的是，他们扩大了观测的“颜色”范围，从一种波长增加到三种波长。宇宙微波背景（CMB）中的任何 B 模式漩涡都应该均匀地出现在所有波长上。然而，在不同波长上出现更强烈的偏振现象，可以归咎于当地的尘埃。

衡量宇宙膨胀程度的关键指标是“张量与标量之比”，即r 。这个数字描述了时空波动相对于其他波动的强度。r为零意味着宇宙膨胀根本没有动摇宇宙的结构，这意味着宇宙学教科书可能需要删除第一章。

BICEP/Keck 观测已陆续降低了原始引力波的上限，表明 2016 年r应小于 0.09，2018 年应小于 0.07。根据发表在《物理评论快报》上的最新结果，该合作项目以 95% 的置信度指出r应该小于 0.036，这个值使得一类常见的通货膨胀模型不可能成立。

引力波极限的缩小迫使理论家们越来越低调，但大量关于膨胀主题的重复论证仍然在新的 BICEP/Keck 屋顶下显得恰到好处。不过情况正在变得轻松，如果极限低于 0.01，许多膨胀研究人员将开始紧张。

约翰霍普金斯大学理论家马克·卡米奥科夫斯基 (Marc Kamionkowski) 在 2019 年告诉《今日物理》：“在任何基本的教科书通货膨胀模型中，很难得到低于这个值。”

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宇宙学家能走多远

BICEP/Keck 合作组的近百名成员计划在几年内达到这一精度水平。他们目前正在建造一个由四架望远镜组成的新阵列，这将使r的测量精度提高三倍。到本世纪末，BICEP/Keck 与其他 CMB 团队之间的大型合作（称为 CMB-S4）将使灵敏度提高几倍，将r限制在大约 0.001。

许多宇宙学家希望原始引力波能出现在这些越来越清晰的 CMB 图像中，从而证明理论家们确实掌握了宇宙的初始爆炸。否则，该理论可能会被搁置一段时间。要淘汰大多数落后的膨胀模型，需要的r还要低十倍，这就需要像 Pryke 这样的实验者再次想出更好的方法来测量理论家们预测的几乎不可察觉的涟漪。

“从实验的角度来看，这似乎是无法实现的，”他说。“但当我 20 年前进入这个行业时，测量 B 模式似乎是一件荒唐事。”