物理學定義的引力波、宇宙都是什么

文／李志民

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物理學定義的引力波、宇宙都是什么

文／李志民

近日美國科學家實驗探測到引力波的消息在傳統媒體、新媒體及社交媒體中廣為傳播。探測到引力波，證實了愛因斯坦100年前的預測。引力輻射是真實存在的，這是物理學和天文學研究的新進展，證實了廣義相對論多個預言中的一個。其科學意義無法與廣義相對論比擬，與數學領域中某人解決了某某猜想屬于數學研究的新進展沒有本質的不同。

引力波是什么？

引力波也稱重力波，是愛因斯坦廣義相對論所預言的一種以光速傳播的時空波動。如同電荷被加速時會發出電磁輻射，同樣有質量的物體被加速時產生時空扭曲擾動，就會以行進波的形式發出引力輻射，這是廣義相對論的一項重要預言。

1916年，德國《物理學紀事》發表了阿爾伯特·愛因斯坦的論文《廣義相對論基礎》。廣義相對論將經典的牛頓萬有引力定律包含在狹義相對論的框架中，并在此基礎上應用等效原理而建立。在廣義相對論中，引力被描述為時空的一種幾何屬性（曲率），而這種時空曲率與處于時空中的物質與輻射的能量—動量張量直接相聯系，其聯系方式即是愛因斯坦的引力場方程。

根據廣義相對論，愛因斯坦預言存在引力波。其依據是在任何有質量的物體附近，空間的結構都會受到扭曲，引力起源自質量對空間的扭曲，但這個扭曲并不總是待在那物體附近，這種空間的彎曲形變可以在宇宙中以光的速度傳播。所謂引力波可能是黑洞之類質量非常大的天體在劇烈運動時擾動周圍的時空，扭曲的時空波動如波紋一樣向外傳播的現象。

首次探測到引力波，證實了愛因斯坦100年前所做的預測，引力輻射是真實存在的，并且黑洞的合并過程的確會產生這樣的引力輻射，而更重要的是，這樣的引力輻射信號是可以被從地球上探測到的。彌補了廣義相對論實驗驗證的缺失。引力波可能成為人類探索宇宙奧秘的新工具。

宇宙是什么？

宇宙是時間、空間、物質的總和。宇宙指人類所存在的一個時空連續系統，包括其間的所有物質、能量和時間。對于這一體系的整體解釋構成了宇宙論。

在中國古代就有 “上下四方曰宇，往古來今曰宙。” 的說法，“宇”代表上下四方，即所有的空間，“宙”代表古往今來，即所有的時間。所以“宇宙”這個詞有“所有的時間和空間”的意思。 把“宇宙”的概念與時間和空間聯系在一起，認為無古無今，無始無終，體現了我國古代人民的獨特智慧。

按照西方自然科學的解釋，20世紀中葉，G.伽莫夫等人提出了熱大爆炸宇宙模型。1965年微波背景輻射的發現證實了伽莫夫等人的預言。從此，許多人把大爆炸宇宙模型看成標準宇宙模型。按照宇宙誕生于一次大爆炸的理論，今天我們說的宇宙的“宇”空間距離約是138億光年，“宙”時間約是138億年。

宇宙大約是由4.9%的普通物質，26.8%的暗物質和68.3%的暗能量構成。可見，我們人類對“宇宙”的認知甚少，需要探索的方面很多很多，對引力波的認知是一個進步。

引力波有用嗎？

按照廣義相對論，在局部慣性系內，一維時間和三維空間組成四維平坦的歐幾里得空間，引力波微弱可不計。目前看來，人類還主要生活在沒有時空扭曲的局部慣性體系內，引力波能夠影響普通人的日常生活還很遙遠。有人甚至懷疑在未來的幾十年內科學家能否再次探測到新的引力波。

但廣義相對論提出，在任意參考系內，存在引力，引力引起時空彎曲，因而時空是四維彎曲的非歐黎曼空間，探索宇宙天體變遷不得不考慮引力的存在。

引力波的發現可能為天文學研究帶來一種觀察宇宙的新方式，探測引力波的能力有可能對天文學產生重大影響。從科學意義上看，引力波是宇宙中天體大災變留下的痕跡，它攜帶著不同于光和電磁輻射等方式傳遞過來的有關遙遠天體的信息。發現引力波有助于探測到宇宙中發生的天體災變性大事件，比如黑洞融合、中子星事件、超新星爆炸，甚至導致宇宙誕生的大爆炸。一旦發現了宇宙大爆炸時期的引力波，就有可能幫助揭開宇宙的各種謎團，甚至破解宇宙的起源。

引力波將帶來一個全新的天文學領域，引力波天文學與現在的普通天文學存在本質的不同。因為宇宙太浩大，光譜類和電磁波類太容易受其他天體影響，引力波本身不容易受干擾、傳播距離也夠，只要突破接收方的解析技術，普通基于光和電磁波的天文學無法觀測到遙遠的脈沖星或黑洞，通過引力波探測則可以驗證這些天體的存在。引力波天文學是一個不需要射電望遠鏡的新的天文學領域，它將引領我們打開理解黑洞、中子星和其他難以采用傳統方法進行觀測的天體類型的全新視野。