引力波是什么？

晨飛

引力波是什么？

引力波是攜帶能量穿越宇宙的漣漪，1916年，作為廣義相對(duì)論的推論，阿爾伯特·愛因斯坦預(yù)測(cè)了它的存在。雖然有很多間接證據(jù)能夠證明其存在，但引力波在此之前從來(lái)沒有被直接檢測(cè)到過。這是因?yàn)橐Σㄌ⑿×耍挥幸粋€(gè)原子的百萬(wàn)分之一。它們就像湖面上的細(xì)小波紋—從遠(yuǎn)處看，湖面像鏡子一樣光滑，只有靠得非常近時(shí)才能看到湖面上的細(xì)。

原初引力波更為激動(dòng)人心，它們誕生于宇宙誕生的最初時(shí)刻。這些引力波攜帶著宇宙如何產(chǎn)生的至關(guān)重要的信息。

什么是廣義相對(duì)論？

1916年，阿爾伯特·愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了一個(gè)用數(shù)學(xué)描述引力的方法，他把這叫作廣義相對(duì)論。這種理論基于一組將空間和時(shí)間放在一起進(jìn)行描述的坐標(biāo)，被稱為時(shí)空連續(xù)體。

物質(zhì)和能量能讓時(shí)空連續(xù)體產(chǎn)生翹曲，就像重物在床墊上產(chǎn)生的效果那樣。彎曲會(huì)導(dǎo)致引力產(chǎn)生，而引力波是時(shí)空連續(xù)體中的漣漪（試著把床墊換成一張水床想想看）。

這些并不都是艱澀難懂的數(shù)學(xué)。廣義相對(duì)論告訴我們引力如何影響時(shí)間，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)必須納入時(shí)間因素，才能準(zhǔn)確告訴你你在哪里。

這一發(fā)現(xiàn)的意義是什么？

科學(xué)家檢測(cè)到引力波有兩方面的重要意義。首先，這開啟了研究宇宙的全新方式，使科學(xué)家能夠?qū)Ξa(chǎn)生這些引力波的過程進(jìn)行推斷。其次，它會(huì)證明宇宙膨脹的假說(shuō)。它還可以向我們提供有關(guān)宇宙起源，也就是大爆炸的信息。

怎樣才能檢測(cè)到引力波？

科學(xué)家在南極極點(diǎn)架設(shè)了一臺(tái)叫作BICEP的望遠(yuǎn)鏡，它一直在通過尋找宇宙微波背景輻射中的一個(gè)微小特性，證明引力波的存在。這一輻射產(chǎn)生于宇宙大爆炸。1964年，美國(guó)科學(xué)家用射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了這種波的存在，并把它叫作大爆炸的“回聲”。BICEP測(cè)量的就是這種微波輻射的大尺度極化。只有當(dāng)原初引力波經(jīng)過暴脹放大之后才能具有這種印跡。

什么是宇宙暴脹？

宇宙大爆炸假說(shuō)最初是由比利時(shí)的物理學(xué)家喬治·勒馬特提出的。他把宇宙大爆炸叫作“沒有昨天的那一天”，因?yàn)樗菚r(shí)間和空間產(chǎn)生的那一刻。但是宇宙大爆炸并不符合所有天文學(xué)家的觀測(cè)。宇宙中的物質(zhì)分布太均勻了，不可能是最初設(shè)想的那種宇宙大爆炸造成的。因此，在20世紀(jì)70年代，宇宙學(xué)家假定了一種宇宙的突然放大，稱其為宇宙暴脹，在宇宙大爆炸之后的一個(gè)極小的時(shí)間段發(fā)生。只有宇宙暴脹可以使得原初引力波信號(hào)放大到可以被檢測(cè)的程度。如果檢測(cè)到了原初引力波，就意味著暴脹確實(shí)發(fā)生過。

下一步是什么？宇宙學(xué)家的任務(wù)完成了嗎？

才沒有呢，可以說(shuō)工作才真正開始。愛因斯坦知道廣義相對(duì)論和量子力學(xué)并不吻合。廣義相對(duì)論探討的是引力和宇宙的整體，而量子力學(xué)探討的則是微觀尺度的粒子和自然界的其他作用力，以及電磁。即使經(jīng)過了一個(gè)世紀(jì)的努力，物理學(xué)家還是沒能說(shuō)明這些理論怎樣才能共同作用。原初引力波產(chǎn)生的時(shí)候，引力和宇宙與粒子和自然界其他作用力在同一個(gè)尺度下作用。這次的檢測(cè)結(jié)果及其后續(xù)分析有望告訴我們這些理論是能夠共同作用的。如果這個(gè)問題得到詮釋，它就會(huì)通向物理學(xué)家渴望的“大統(tǒng)一理論”。