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【按：目前关于这一发现的报道和科普文已有很多，但是不少文章（特别是新闻报道）喜欢把原初引力波比喻成“大爆炸的涟漪”。名字很美，但却是一个误解。其似乎在暗示，原初引力波的产生，如同一个本来平静的空间，一颗炸弹爆炸所激起的冲击波。但实际上，这很不确切。具体见下面第三、四节。】

【一】

中文报道里用到一个词——“原始”。这个词的英文是“primordial”，宇宙学中一般译为“原初”。

“原初”在宇宙学中一般是泛指“复合之前”这个阶段。宇宙在大约38万年的时候，随着温度的降低，自由质子和电子重新结合成中性原子——所谓“复合”。此时，等离子体的雾霾散去，宇宙变得透明，光可以畅行无阻。于是这些光，经过137亿年的征程，进入我们的“眼睛”，即是所谓“宇宙微波背景辐射”——婴儿宇宙38万岁时的照片。

“宇宙微波背景辐射”在1964年就被贝尔实验室的Penzias和Wilson发现了，并为二人带来了1978年的Nobel物理学奖。

【二】

在早期宇宙研究中，“原初”更进一步特指“宇宙学暴涨”——宇宙极早期经历的急剧加速膨胀过程——时期。

最初，“暴涨”理论的提出，是为了解决旧的“大爆炸”理论的几个困惑，比如：

• 今天的宇宙空间为何看上去如此平坦？
  
• 宇宙这么大，各个地方离得那么远，却为何看上去都差不多？

而“暴涨”理论非常优雅地解决了这两个疑难：

• 急剧的加速膨胀——就像吹气球一样——把所有可能的不均匀和不平坦都抹除、拉平了。
  
• 今天的宇宙最初是一块很小的区域，是“暴涨”把它们拉开的；所以各部分离得这么远、却看上去差不多，因为它们曾经在一起。

【三】

但一个问题是，既然暴涨把所有的不均匀性都抹平了，那宇宙应该空无一物、极度乏味，可为何宇宙还确实存在“结构”——星系、超星系、超星系团等等？

就像大海一样，远观像镜面一样平静，近观却波涛汹涌，真实的空间中也无时无刻不存在随机的“量子涨落”。但是通常情况下，这些“涨落”却随起随灭，如同电视机无信号时的雪花点，吵吵半天，仍然是灰白一片，什么也没留下。

但是“暴涨”却提供了一种“冻结”机制。就像海面的波涛，一旦涌起，就赶紧“冻”住。于是最终海面就不再是随机的翻涌，而是如同连绵的冰山一样，有了特定的“结构”。同样，空间中的“量子涨落”，产生于虚空，但是被暴涨所“冻结”，形成一粒粒的真实的“尘埃”——今天宇宙结构的“种子”[1]。

而这种“冻结”机制的存在，也正是因为宇宙的“加速膨胀”——暴涨“一箭双雕”地解决了旧大爆炸的困难，同时产生了宇宙的结构。也正是因为后者，暴涨才成为今天早期宇宙研究的基础。

暴涨把产生于虚空的随机量子涨落冻结成实在，就像把随手画的钞票兑换成真金白银一样。于是暴涨的发明者Alan Guth喜欢说，宇宙就是一场免费午餐。

【四】

回到引力波。

通常的“结构”——星系、超星系、超星系团，是宇宙空间中质量“密度”的起伏。密度是空间的“标量场”，而引力波——却是空间的“张量场”波动。

于是，一个更确切的说法是，空间中无处不在的“张量场”的随机涨落，在暴涨过程中被“冻结”，同时被暴涨拉伸到宇宙的尺度，形成原初引力波背景。

这些“张量场”的随机涨落一直都在，其本身并不是暴涨（或是大爆炸）产生的。就在今天，此时此刻，我们周围，仍然无时无处不存在张量场（包括其他各种场）的随机涨落。今天的这些随机涨落，对于我们只是“噪声”，甚至我们都无法察觉其存在。但是在暴涨时期，这些随机涨落被“冻结”，形成了固定的背景起伏。

【五】

描述经典电磁场的Maxwell理论预言了电磁波——以光速传播的电场和磁场的振动——的存在；描述经典引力场的Einstein广义相对论也预言了引力波——以光速传播的引力场的振动——的存在[2]。

电磁场的“荷”即是“电荷”，电磁波可以通过天线产生震荡电流，从而被探测到。引力场的“荷”即是“质量”。原则上，当一束引力波通过，我们也会看到物体被拉伸、压缩、扭曲。这也是引力波真正意义上的直接探测。但是，引力实在是太弱了。电磁波早在1887年即被Hertz证实，在今天的生活中也已无处不在。但是引力波，在从广义相对论发明至今的近一百年里，却一直没有被直接探测到。

1974年，Hulse和Taylor发现了第一颗射电脉冲双星PSR 1913+16。这个双星系统轨道周期的变化与引力波辐射损耗的预言相吻合，从而间接证明了引力波的存在。二人也因此获得1993年的Nobel物理学奖。

【六】

宇宙微波背景——宇宙38万岁时的照片，却记录了原初引力波的踪迹。

这张38万岁的照片，从某种意义上来说，类似一张3D照片。因为它同时记录了光的两种偏振，就像观看3D电影一样，我们可以带上3D眼镜，使一只眼睛分别只看到一种偏振。

光的偏振在宇宙微波背景上的“分布”，也有两种模式。一种叫“E模式”——因为其看起来“像”电场，而中学物理书里电场通常用E表示；一种叫“B模式”——因为其是“螺旋”状的，看起来“像”磁场，而磁场用B表示。下图是这两种模式的形象展示[3]：

需要强调的是，E、B模式是偏振“分布”的两种模式（或者说“偏振场”的两种模式），和光的两种偏振本身是两回事。

问题的关键在于：

• “E-模式”，可能来自密度涨落，也可能来自引力波，于是仅靠观测“E-模式”无法确证是引力波的贡献；
  
• “B-模式”，无法由密度涨落产生，通常认为即来自引力波[4]。

宇宙微波背景记录的是在此之前的信息，于是，如果在宇宙微波背景上看到了“B-模式”的偏振分布，毫无疑问就是“原初”引力波——即在暴涨期间产生的引力波——的证据。

【七】

最终，2014年3月17日，美国BICEP2（Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization，宇宙超星系极化背景图像）实验组[5,6]宣布以超过5个标准差的置信度，探测到了宇宙微波背景中来自原初引力波的“B-模式”偏振模式。下图是实验组文章中展示的偏振分布图[7]：

最后，这个发现的科学意义（包括但不限于）：

• 支持了广义相对论；
  
• 支持了暴涨理论；
• 支持了“微扰”量子引力；
• 确定了张量、标量涨落幅度比值；
• 确定了暴涨的能量标度；
• 进一步限制了暴涨模型；
• 开辟了引力波观测窗口。

——————
附注
[1] 稍具体点，暴涨时期宇宙有一个特征尺度，即“哈勃尺度”。量子涨落的波长被暴涨迅速拉长，一旦超出哈勃尺度，量子涨落退相干，成为经典的扰动，从而被固定在那里。
[2] 可以参考：引力的传播速度是光速吗？
[3] 图片来自http://www.skyandtelescope.com/news/Seeking-the-Cosmic-Dawn-217764581.html
[4] “B-模式”还可以有其他来源，比如引力透镜可以将“E-模式”扭曲为“B-模式”。而这种来自引力透镜的“B-模式”偏振分布已经被SPT（南极望远镜）和PolarBEAR观测到。
[5] BICEP and Keck Array
[6] BICEP2 2014 Results Release
[7] http://arxiv.org/abs/arXiv:1403.3985

2014-03-19 16 条评论 感谢 分享 收藏 · 没有帮助 · 举报

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海盗河马，学天文的自由主义者 http://blog.hippoh.org

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李子升、hemingalien、沈博 等人赞同

我没想到这条回到有很多人来点赞，也没想到被收入之乎日报。我很惭愧，因为我虽然是做天文的，但这个学科很博大精深，我没能做到融会贯通。宇宙学并不是我的研究方向，具体到这个问题更是艰深难懂，我所在的研究所，为了这个问题还要专门组织专家研读论文大家利用午休时间讨论一下才能更理解，更何况我自己才疏学浅。我下面所回答的仅供参考和科普，非常浅显的科普，可能充满错误。如果能让读到的人稍稍觉得这个发现还算重大，就足够了。
谢谢。
===
我只能说题目中链接里的新闻非常非常非常不专业，错误地把重点引向了引力波。当然，引力波的探测是很重要。但就具体到这个发现来说，完全不是发现一个引力波那么简单。这个发现的重点是暴涨理论。

我不是研究宇宙学的，所以具体的还要等宇宙学家来回答。我只能说一点我知道的。

我们的标准宇宙学认为宇宙起源于一次大爆炸，所有的东西都在这个爆炸之后相互远离。所以哈勃在上世纪20年代发现了星系之间相互远离，远离的速度正比于距离。这个是大爆炸的后遗症。

但是这里面存在一个还没能解决的问题，就是因果关系问题。如果宇宙中的两个点需要发生作用、有了关联，那么一定是一个点作为原因，另一个点作为这个作用的结果，因果信息从一个点传递到另一个点，这个关联就建立了，这叫做因果关系。因果关系的建立是需要时间的，这个速度最大就是光速。我们又知道，宇宙今天的年龄大约是137亿年了，那么我们就可以用137亿年乘上光速，我们就可以知道一个最大的距离，只有在这个距离以内的两个点，才来得及在宇宙诞生之后发生因果关系。超过这个距离的点来不及发生因果关系。

但是实际上却不是这样。观测发现宇宙竟然在很大的尺度上都是均匀的，每个点似乎都商量好了一样彼此保持一致，呈献给我们一个非常简单状态的宇宙，我们不需要对每个不同的方向建立不同的理论。所以我们没能解决这个因果的问题。宇宙膨胀的早期温度很高，不同区域的温度也有差异，但是今天的宇宙非常均匀。想做到这一点需要这些点之间相互作用达到热平衡。所以有人猜测，是不是在宇宙刚刚大爆炸之后很短的时间里，就发生了一次非常奇怪的剧烈膨胀，使得空间一下子增加了好多好多。

(当然，除了这个简单化解释的因果问题以外，还有很多问题得不到解释，比如磁单极子为什么找不到等等。)

理论上说的这个剧烈的膨胀在瞬间改变了很多物理性质，我们叫做暴涨，inflation。由于暴涨，我们的宇宙才会变得每个点看上去都差不多的样子。但这一直仅仅是一个预言，没有实际的观测证据。

如果这个暴涨是存在的话，会有引力波的辐射，这个辐射可以分解为两种成分，分别是类似电场的E模式和类似磁场的B模式。因为前者有梯度没有旋度，后者有旋度没有梯度。E模式很容易被现有的理论解释和观测到。但是B模式很难观测到。产生B模式有两个机制，分别是暴涨，或者引力透镜。引力透镜产生B模式已经在去年被南极天文台观测到了。那么如果还能观测到新的B模式的引力波，就意味着暴涨理论是真实存在的。

题目中说的这件事，指的就是这个发现。这个发现的直接结果就是，证实了暴涨的存在，解决了今天的大爆炸宇宙模型的一些疑难问题，让大爆炸宇宙模型更加牢固了。2014-03-18

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张雩，想太多会毁灭一个人

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毛潇庆、路边露水、zy lv 等人赞同

简单解释一下什么是引力波以及能够实验证实引力波的重要意义吧。对这方面接触其实不多。有错误请务必要指正！

一、什么是引力波
引力波是爱因斯坦在广义相对论中提出的。爱因斯坦认为，引力是由于时空的扭曲产生的。引用我在另一个问题如何评价霍金关于「黑洞不存在」的最新论文？中的一段话来解释什么叫时空的扭曲：

最简单的一个比喻就是想象一张平平的毯子，如果你在上面放一个球，毯子就会凹下去一块，这就是时空的扭曲。球越重，凹陷越深。如下图。太阳最轻，白矮星次之，中子星更重。

所以我们可以把大质量物体对小质量物体的吸引想象成一个小球滚到毯子凹陷处的边缘，然后哧溜一声滑下去了。如果速度角度正好的话，小球可以在凹陷的平面上以特定的轨迹转圈。

进一步引申，如果这个让毯子陷下去的物体在运动的话，毯子扭曲的形状也会不停地随之改变。而如果这个物体在加速运动就会有引力波产生。引力波以光速传播。我个人的理解是圆周运动的加速度也算，所以一个圆周运动的物体会不停地释放出引力波。可以想象一个物体在毯子上转圈，这样就产生了一圈一圈向外扩散的涟漪。

一个被物理学家们认为比较容易产生可观测级别的引力波的系统是双星系统(中子星或者是白矮星最好）。

图片引用自 Gravitational Waves: The Big Bang's Smoking Gun

两个大质量的中子星或者白矮星互相绕着对方旋转，就会不停地产生涟漪一样向外不停扩散的引力波。

不过这只是一个理论，一直以来都没有得到证实。原因很简单，仪器不够敏感，测不到。万有引力本来就相较其他的力比较微弱。强力的相对强度是1，电磁力是10^-2，弱力是10^-5，而万有引力只有10^-39. 再加上为引力波的强度是随着距离的增加逐渐减少的。等引力波传到观测点的时候基本就和宇宙微波背景辐射CMB (Cosmic Microwave Background，大爆炸后的辐射) 不分你我地在一起了。这次的证据就是从对CMB的分析里找出了一个巨小无比的异常，排查了三年才敢确定。

二、发现引力波的重要意义
1. 证实爱因斯坦的广义相对论
引力波是爱因斯坦的广义相对论里最后一个还未被证实的理论。虽然广义相对论在各个方面表现良好，不过任何物理理论都是处在“可证伪”的假设下，需要不停面对来自各方的挑战。因此引力波的发现对证实爱因斯坦的理论还是很有帮助的。

2. 证实了宇宙的膨胀+可以提供更多关于大爆炸初期的信息
这点 @海盗河马 答案说得很清楚，就不赘述了。
补充几点，在暴涨的初期阶段，宇宙膨胀的速度是超过光速的。但是这与爱因斯坦的理论并不冲突。因为是空间自身在膨胀。
另外就是，这次发现引力波事实上证实了暴涨理论没想象中的那么复杂。
由于大爆炸初期，电磁力，强力和弱力统一成了一个力，后期研究CMB的时候无法得到关于宇宙初期的信息。而对引力波的研究则可以让宇宙学家更好地了解大爆炸初期发生了什么，可以说开启了一个新的领域。
再就是放两张图帮大家理解

NASA的图

补充一张B-mode（B模式）polarization

引用自Major Discovery: 'Smoking Gun' for Universe's Incredible Big Bang Expansion Found

3. 离大一统理论又近了一步
自然界一共四种力：电磁力、引力、强力、弱力。发现一个大一统理论把他们都统一起来一直以来都是科学家的梦想... 而阻挡这个梦想实现的一个巨大的拦路虎就引力。电磁力，强力和弱力都已经被比较好地统一在一起了，唯独引力一直很让人头疼。
因为在大爆炸初期，引力波是在量子物理的尺度下产生，随后被宇宙暴涨放大的，这就提供了一个奇妙的量子物理与引力的重合点，对大一统理论的研究很重要。2014-03-19