好吧,理论家说有可能存在原初引力波的信号,那么又该如何去观测呢?引力波作为一种扰动形式,会影响微波背景辐射的温度涨落。你可以把它想象成水面上的一个波对另一个波产生干扰,但是由于影响很弱,只有10%左右,不容易跟其他信号区分开来。于是,人们把目光投向了微波背景辐射的所谓偏振信号,也就是极化信号。要想更好地理解光子极化这个概念,在我丢失太多读者之前,请允许我作一个不太恰当的比喻。
想象一下我们分手的时候(不要告诉我你没有分手过,那我会羡慕死你的),你不会在说完最后一句话后,随机向任意方向离开你的前男友(或者前女友)。没错,大多数人都会选择180°转身离开。如果统计足够多的分手事例,你可以画出“分手路径空间分布图”。你会发现180°离开的人,概率是最大的(我想大概没有人真会无聊到去作这样的统计,不过为什么不呢)。也就是说,空间分布的各向同性被打破了,这就是极化——对方向出现了某种偏好。
还记得我们之前讲到的专门拆散人家质子和电子的那些讨厌的光子吗?一样的道理,它们最后一次跟电子碰撞之后也会携带电子传递给它的方向特性,这个极化信号穿过茫茫宇宙最终被南极的BICEP望远镜观测到。众多的光子与电子碰撞以后集体展现出来的这种方向选择性,可以用两个物理量描述:E模式极化和B模式极化。人们发现,B模式在足够大的空间尺度上,只能通过原初引力波产生!于是,事情听起来似乎变得很简单:只要建造最好的望远镜,但凡看到这种特殊模式的信号——B模式极化信号,就能证明原初引力波的存在!
而这正是约翰·科瓦克和他的伙伴们10多年来一直拼命在做的事情。
约翰·科瓦克和他在南极极点附近建造的BICEP望远镜(科瓦克身后右手左下方建筑物顶上的碗状物)。图片来源:哈佛-史密松天体物理中心
大爆炸的追梦人
说到这里,不妨先介绍一下我曾经的博士导师约翰·科瓦克。我第一次见到科瓦克是在2008年的初夏。当时哈佛天文系有新的教职空缺,几百位申请人最终有5位候选人被允许来学校面试,约翰便是其中一位。第一眼看到他,我只觉得这个人一点架子都没有,年轻帅气健谈,更像一个拖了许久没有毕业的博士生。