近报 -21版:新知-2017年09月15日

　　宇宙源自138亿年前的一次爆炸,而后立即经历了一场极度快速的膨胀——暴胀过程,随后逐渐膨胀至今。这一直是用来解释宇宙形成的主流科学理论。
　　然而今年上半年,来自普林斯顿大学和哈佛大学的科学家撰文表示,宇宙源自一次大反弹而非大爆炸,暴胀理论无法令人满意。此举无疑在学界扔下了一枚重型炸弹。
　　热大爆炸学说为现代宇宙学的标准理论模型。大约138亿年前,宇宙创生于一个时空奇点的大爆炸。在漫长岁月的洗礼下,它从极高温的混沌状态开始演变,逐渐形成基本粒子、核子,然后经过原初核合成产生氢和氦的原子核。到了宇宙4亿岁时,第一代恒星终于形成,而最早的星系和类星体则诞生于大爆炸后约十亿年。最终,我们的宇宙演化到当前由暗能量驱动的加速膨胀状态。
宇宙需要一个奇点吗
　　在热大爆炸宇宙学中,密度极大、温度极高的奇点不可避免。而反弹宇宙图像中,宇宙先是收缩,然后反弹进入热大爆炸膨胀阶段,避免了让科学家头皮发麻的奇点问题。
　　暴胀学说认为,在大爆炸后约10-36秒到10-32秒短暂的时间内,宇宙的单位空间尺度被放大约1080倍。这相当于瞬间把亚原子尺度的空间扩张到了太阳系尺度,这样可以抹平原初宇宙可能存在的不均匀性,于是很自然地解释了我们今天看到的均匀宇宙。
　　然而,大爆炸奇点在暴胀学说中依然是不可避免的。这意味着,暴胀本身是不完整的理论。在这个背景下,一系列替代理论应运而生,其中最具代表性的就是反弹宇宙学。
　　实现反弹宇宙图像的理论模型有很多,在科学家们的多年努力之下,藏在这些模型背后的反弹宇宙学扰动理论逐渐成型,并揭示了反弹学说同样可以解释热大爆炸宇宙学所面临的初始条件疑难。在这类理论,大爆炸之前的宇宙处于一个收缩过程,体积越来越小,直到某一时刻宇宙收缩到一个极小值,然后反弹进入标准的热大爆炸膨胀阶段。由此可见,反弹学说的提出,不仅继承了热大爆炸宇宙学的成功之处,还避免了那个会让宇宙学家头皮发麻的时空奇点。
原初引力波说了算
　　宇宙在极早期所经历的究竟是哪一种过程呢?对于研究极早期宇宙的物理学家来说,一个至关重要的任务就是通过实验观测来进行检验区分。
　　早在20世纪40年代,提出了热大爆炸宇宙学说天文学家伽莫夫等人预言:宇宙存在一个背景温度,它便是由CMB——来自宇宙婴儿期的光线带来的。　　CMB光子不仅携带着前文提到的黑体谱和温度涨落的信息,还会有偏振状态,它们形成两种截然不同的图样:电场型E模式和磁场型B模式。
　　宇宙学家在研究CMB的偏振涨落时发现,原初宇宙中的张量扰动(即原初引力波)可以直接导致CMB拥有B模式的偏振信号。换言之,寻找原初引力波的B模偏振,能为极早期宇宙的研究提供线索。
　　迄今已经建造和规划中的地面CMB偏振实验,集中在智利和南极,而北半球是空缺的。
　　为了推进中国宇宙学在CMB领域的实验研究,中国科学院高能所的宇宙学团队牵头,联合国内外多所顶级宇宙学研究单位,正在我国西藏阿里地区建造北半球首个CMB极化望远镜,即阿里原初引力波望远镜。在北天区率先实现对原初引力波的探测。与此同时,阿里计划还会与南半球的CMB实验合作,形成一南一北,对原初引力波观测进行全天区覆盖。
据《科技日报》