原初宇宙引力波信號發現背後的故事

科學上的許多重大發現往往不是平白髮生的，而是早就設計好的。本週早些時候，科學家發布了可能是今年最重大的科學突破：他們探測到了原初B模偏振(primordial B-mode polarizations)——宇宙微波背景輻射的一種偏振信號，在大爆炸的短暫片刻後發生的宇宙暴脹時產生。這一消息似乎令人始料未及，類似的重大發現如希格斯玻色子等，在宣布之後的數個月時間裡，便一直伴隨著猜測、傳言甚至是洩密。
對研究人員來說，對結果把緊口風是標準的做法。沒有人希望將只完成一半的數據武斷地告訴同事，令對方獲得錯誤的印象，甚至更糟糕的是，研究對手可能會因此占得先機。科學家也是人，而傳播閒話是人的天性。然而，在充斥著科學博客以及社交網絡的科學界，BICEP2(宇宙超星系偏振背景圖像2)合作項目卻能一直保持秘密的狀態。
BICEP2的研究人員並沒有使用某種牢不可破的聯繫方式，也沒有使用某種無法破解的密碼，他們必須依賴彼此保持沉默，直到某一天可以若無其事地向全世界發布一個重大發現。他們是怎麼做到的？
對原初B模偏振的研究開始於2001年的一場網球賽之後。物理學家傑米·博克(Jamie Bock)當時是美國航空航天局噴氣動力實驗室(JPL)的研究人員(如今就職於加州理工學院)，他與一位名為布萊恩·基廷(Brian Keating )的天體物理學博士後定期進行網球比賽，後者如今在加州大學聖地亞哥分校工作。
“布萊恩會用一個偏振實驗來激我，”傑米·博克說，“而每次比賽完了之後我都會說'啊哈，好的，一定'，過了一陣，他開始說服我這個實驗很值得一做。”
在噴氣動力實驗室，傑米·博克從事的是專業化探測器(當時還在研製階段)的研究工作。這種探測器如果裝在南極的一個小型望遠鏡上，就很可能探測到原初B模偏振。他聯繫到已故的加州理工學院物理學家安德魯·朗格(Andrew Lange)，提議進行這項研究。作為物理學界的知名學者，安德魯·朗格幫助傑米·博克組建了一個由科學家、博士後和研究生組成的團隊。傑米·博克後來成為BICEP項目中四個主要研究者之一，他說：“在他(安德魯·朗格)的幫助下，整個項目才得以啟動。”
根據大約30年前提出的宇宙暴脹理論，宇宙早期曾經歷過一次大規模的快速膨脹。如果這確實發生過，那就會在宇宙中遺留下在大爆炸之後38萬年時的特徵性光扭曲，即宇宙微波背景輻射(cosmic microwave background , CMB)——又被稱為“宇宙中最古老的光”。然而，在至少二十年的時間裡，探測原初B模偏振一直被學界認為是“高風險，高回報”的實驗。
為了探測宇宙暴脹留下的痕跡，需要一台可以辨別溫度微小變化的望遠鏡，甚至精密到1攝氏度的百萬分之一。宇宙暴脹也可能會產生一些幾乎無法察覺的信號，但如果這些信號被探測到，那這些原初B模偏振就將為物理學打開一個新的世界。
除了為宇宙暴脹理論提供證據，這些信號還使科學家能夠探測早期宇宙不為人所知的能量水平。此外，這些信號也證明了愛因斯坦提出的引力波理論是正確的，為這位偉大科學家的功勞簿又記上一筆。
天文學家，同時也是芝加哥大學研究生的克里斯托弗·希伊(Christopher Sheehy)說：“有這樣的說法，'拿到B模，你就拿到了諾貝爾獎'。”他於2006年加入了研究團隊，在宇宙學家克萊門特·派克(Clement Pryke)的手下從事研究。
第一個BICEP項目於2006年至2008年在南極進行，不過項目中並沒有包括傑米·博克在噴氣動力實驗室研製的探測器。後繼實驗——BICEP2——中採用了新的探測器技術，於2010年開始蒐集數據，直到2012年。
“我們在這些早期階段看到了線索，”哈佛大學的宇宙學家，同時也是BICEP主要參與者之一的約翰·科瓦奇(John Kovac)說，“但我要說，從噪聲中找到信號是十分緩慢的過程。”
一開始，研究團隊的每個成員都對所觀測到的東西抱著很深的懷疑態度。他們不希望由於過分興奮而使結果被無意地扭曲。更重要的是，他們此時仍然不能確定原初B模偏振是否能被觀測到。
斯坦福大學的物理學研究生傑米·托蘭(Jamie Tolan)說：“我們試圖保持某種邏輯性和不偏不倚的態度，來看待數據所告訴我們的東西。”傑米·托蘭於2007年加入了研究團隊，屬於最後一位主要研究者，物理學家郭昭麟(Chao-Lin Kuo)的實驗室。
如果情況變得越來越糟糕，信號最終被證實為什麼也不是，那對於BICEP團隊來說，這至少為其他合作研究者在未來某一天獲得觀測結果時，提供了更為嚴謹的限定。不過隨著獲得的數據越來越多，“我們意識到確實存在著什麼東西，”傑米·博克說道。
研究團隊努力證明這並不是他們曾經探測到的其他錯誤信號。舉例而言，望遠鏡和其他設備也有可能成為噪聲的來源，會產生類似原初B模偏振的信號。“我們不斷檢查和交叉檢查，做高保真模擬，”克里斯托弗·希伊說，“我們需要真正了解這些儀器產生的每個結果，對細節的了解達到了非常罕見的程度。”
事實上，研究人員使用了兩個不同的探測器——一個是BICEP1中較早的技術，另一個應用於BICEP2中——來確保儀器不致成為問題的來源。同一類型的儀器可能會產生某種特定的誤差，但對於兩種完全不同的技術，就不大可能確定會出現什麼問題。此時研究團隊還在運行著BICEP2的後繼實驗：凱克陣列(Keck Array)。這個新型望遠鏡的能力是BICEP2的5倍，其提供的數據能幫助科學家檢查之前的結果。
差不多在一年之前的2013年4月，研究團隊在哈佛大學進行了一次為期3天的組會。他們分享了最新的分析結果和想法，試圖用各種可能的解釋來說明發現的信號。他們爭論了兩天。巧合的是，會議的最後一天恰好是波士頓馬拉松賽的日子，一場爆炸奪去了三個人的生命，導致數百人受傷。
約翰·科瓦奇說：“在那之後，整座城市進入了高度戒備狀態。”研究團隊不能聚到一起，便在電話上討論了起來。他們互相詢問是否認為信號是真實的，在他們中間有樂觀主義者也有悲觀主義者。“有個人說真假是80對20，另一個人說是50對50，”傑米·博克說，“而那些不認為信號真實​​的人，我們會問他們為什麼這麼認為。然後決定還要做什麼測試才能說服他們。”

對傑米·博克來說，這次會議是一個名副其實的分水嶺。“那個時候我們就像是，'哇喔，可惡，可能它就是真的。'”
研究團隊意識到，無論事情多麼震撼人心，他們都不希望流傳出去的是錯誤的結果。他們都陷入了沉默狀態。在進行測試的同時，他們也加強了內部安全，更換了密碼，為團隊成員提供新的電子郵件列表。到了12月，研究團隊的每一個成員都被說服，接下來他們要說服的是全世界。
說到保密，BICEP團隊相對於其他物理學研究團隊有一個巨大的優勢：它的規模很小。整個團隊只有大約50個人，而核心的分析組成員只有20人左右。相比之下，普朗克太空望遠鏡團隊擁有數百名研究人員，在大型強子對撞機(LHC)中尋找希格斯玻色子則涉及到數千名物理學家。
克里斯托弗·希伊回憶道，當時並沒有特殊的紀律處分來加強保密，“所有人都有著同樣的想法，'不要走漏消息'。”由於科學研究的結果常常事先洩露，有些博客作者猜測，在研究團隊宣布消息之前，可能有類似007級別的特工把結果壓了下來。研究人員認為這種說法實屬無稽之談。“我們只是希望把完整的工作結果呈現給同行，”約翰·科瓦奇說，“這裡面沒有什麼間諜故事。”

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南極的日出，BICEP團隊的望遠鏡便是在這裡不間斷地採集數據

不過，在消息公佈之前大概兩週，研究團隊不得不讓另一些人參與到這一秘密中來。約翰·科瓦奇個人向理論物理學家阿蘭·古斯(Alan Guth)寄送了一份論文草稿，後者在30年前提出並命名了宇宙暴脹假說。“我認為正是那時候開始出現了一些傳言，”傑米·托蘭說，“一旦我們要向更大圈子的人進行說明，這種事情便是不可避免的。”
興奮的情緒也開始出現。3月12日，哈佛大學天體物理學中心向記者們發送了一份神秘通知，宣稱在5天之後將舉行新聞發布會，“宣布一個重大發現”，除此之外沒有透露更多信息。到了周五，一些博客以及衛報的一篇文章第一時間報導了有關發現引力波的傳言。週末的時候，對猜測的狂熱達到了頂點，物理學界都在等待著哈佛天體物理學中心的聲明。
儘管知道自己的發現非常重要，但研究團隊的許多成員在還是面對媒體的關注時有點措手不及。“這個新聞成了大事件，在周四、週五，我接到了來自宇宙學朋友們的10條短信，這種感受是直達肺腑的，”克里斯托弗·希伊說，“這有點像滾雪球，我們也意識到它確實就像所有人所說的，是個不折不扣的大事件。”
現在，研究結果已經公之於眾，也被更多地談論和分析。從3月17日開始，宇宙學家們就在推特上爭論這些發現。許多科學家在讚賞的同時，也呼籲要謹慎對待，在其他團隊證實BICEP2所發現的B模偏振信號之前不能過於興奮。

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宇宙的歷史示意圖，顯示了宇宙暴脹及其在宇宙微波背景輻射中留下的印記

對於研究團隊的所有成員來說，這依然是一個偉大的成就。“在周末前往南極的時候我忽然想到，我們親手建造了這些望遠鏡，”傑米·托蘭說，“你建造了它們，用來探索一些發生在大爆炸之後萬億分之一秒時間裡的事情，這是多麼的神奇。能夠參與其中就已經讓人無比興奮。”

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研究生尤斯圖斯·布雷維克(Justus Brevik)正在測試BICEP2望遠鏡