關(guān)于“引力波”問(wèn)答

方陵生/編譯

● 科學(xué)家近日宣布，通過(guò)南極BICEP2望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到了物理學(xué)家曾預(yù)測(cè)的引力波在時(shí)空中產(chǎn)生的漣漪。BICEP2檢測(cè)到的這種特別的引力波漣漪是宇宙大爆炸后的急速膨脹所產(chǎn)生的，引力波的發(fā)現(xiàn)讓我們有幸一瞥宇宙遠(yuǎn)古歷史上最遙遠(yuǎn)的那一瞬間。“引力波”涉及一些人們比較陌生的概念，以下是關(guān)于引力波的問(wèn)答。

BICEP2宣告的意義是什么？科學(xué)家需要多年時(shí)間來(lái)揭示這一發(fā)現(xiàn)的意義，以下是目前已經(jīng)明確的重要意義：

·早在100年前，愛(ài)因斯坦就已經(jīng)預(yù)測(cè)到了“引力波”的存在。根據(jù)他的計(jì)算，這種引力波可能非常微弱，甚至可能微弱到永遠(yuǎn)不會(huì)被探測(cè)到的程度。BICEP2的發(fā)現(xiàn)是引力波存在的有力證據(jù)，雖然還無(wú)法直接探測(cè)到。

·發(fā)現(xiàn)引力波的存在有助于真正理解宇宙大爆炸最初時(shí)刻的物理過(guò)程，并確立當(dāng)代宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的理論基礎(chǔ)。宇宙膨脹說(shuō)理論認(rèn)為，在宇宙誕生的最初時(shí)刻，在一個(gè)極為短暫的瞬間，宇宙以指數(shù)速度急劇膨脹，經(jīng)歷了其演化史上的一個(gè)“暴漲時(shí)期”。

·在宇宙膨脹期間，宇宙的溫度——以及由此產(chǎn)生的基本粒子的能量——是如今任何實(shí)驗(yàn)室能夠模擬實(shí)現(xiàn)的數(shù)萬(wàn)億倍，即使是歐洲核子研究組織（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）這樣的粒子加速器，也無(wú)法做到。

·因?yàn)橛钪媾蛎浭且环N量子現(xiàn)象，引力波是經(jīng)典物理學(xué)的一部分，引力波在這兩者之間建立了一種聯(lián)系。引力波的存在可能成為引力像其他自然力一樣擁有量子性質(zhì)的第一個(gè)證據(jù)。

阿蒙森-斯科特南極站的“BICEP2”望遠(yuǎn)鏡

什么是引力波？根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，引力是指以質(zhì)量改變空間形態(tài)的一種力量，靠近任何擁有較大質(zhì)量天體附近的空間結(jié)構(gòu)都會(huì)變得扭曲，但是這種空間結(jié)構(gòu)的扭曲并不總是發(fā)生在大質(zhì)量天體附近。另外，愛(ài)因斯坦還意識(shí)到，這種空間扭曲可以在整個(gè)宇宙范圍內(nèi)傳播，就像地震波在地殼中傳播一樣。但與地震波不同的是，引力波在空間是以光速傳播的。

如果你能夠看見(jiàn)向著你迎面而來(lái)的引力波，你會(huì)看到它周?chē)目臻g向上下左右各個(gè)方向時(shí)而拉伸，時(shí)而壓縮的景象。

唯一能產(chǎn)生引力波的只是宇宙膨脹嗎？不是。任何質(zhì)量巨大且加速移動(dòng)的天體都應(yīng)該能夠產(chǎn)生引力波。我們唯一能夠直接探測(cè)到的引力波來(lái)自宇宙間的一些災(zāi)難性事件，如兩個(gè)黑洞碰撞后融合為一個(gè)黑洞。世界各地的一些天文臺(tái)正在努力探測(cè)來(lái)自遙遠(yuǎn)黑洞合并時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)靜。

為什么引力波不能直接測(cè)量，而只能通過(guò)射電望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到？引力波是宇宙膨脹時(shí)在宇宙時(shí)空中留下的痕跡，如今已經(jīng)非常微弱，無(wú)法直接測(cè)量到。科學(xué)家在宇宙大爆炸38萬(wàn)年后彌漫于宇宙中的“基本粒子湯”中，通過(guò)“宇宙微波背景”尋找引力波的痕跡。觀(guān)測(cè)微波背景輻射用的是檢測(cè)無(wú)線(xiàn)電波的望遠(yuǎn)鏡，引力波在宇宙微波背景上形成的“漣漪”只能通過(guò)射電望遠(yuǎn)鏡觀(guān)察到。

為什么引力波在南極被發(fā)現(xiàn)？BICEP2射電望遠(yuǎn)鏡安裝在南極阿蒙森-斯科特南極站，位于南極海拔2800多米的冰蓋之上，那里大氣稀薄，空氣干燥，微波不會(huì)受到空氣中水蒸氣的干擾。此外，南極洲幾乎無(wú)人居住，所以也沒(méi)有來(lái)自手機(jī)、電視廣播，以及其他電子產(chǎn)品的干擾。