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，作為廣義相對論的推論，阿爾伯特·愛因斯坦預測了它的存在。雖然有很多間接證據能夠證明其存在，但引力波在此之前從來沒有被直接檢測到過。這是因為引力波太微小了，只有一個原子的百萬分之一。它們就像湖面上的細小波紋—從遠處看，湖面像鏡子一樣光滑，只有靠得非常近時才能看到湖面上的細。

原初引力波更為激動人心，它們誕生于宇宙誕生的最初時刻。這些引力波攜帶著宇宙如何產生的至關重要的信息。

什么是廣義相對論？

1916年，阿爾伯特·愛因斯坦發現了一個用數學描述引力的方法，他把這叫作廣義相對論。這種理論基于一組將空間和時間放在一起進行描述的坐標，被稱為時空連續體。

物質和能量能讓時空連續體產生翹曲，就像重物在床墊上產生的效果那樣。彎曲會導致引力產生，而引力波是時空連續體中的漣漪（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學。廣義相對論告訴我們引力如何影響時間，衛星導航系統必須納入時間因素，才能準確告訴你你在哪里。

這一發現的意義是什么？

科學家檢測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，使科學家能夠對產生這些引力波的過程進行推斷。其次，它會證明宇宙膨脹的假說。它還可以向我們提供有關宇宙起源，也就是大爆炸的信息。

怎樣才能檢測到引力波？

科學家在南極極點架設了一臺叫作BICEP的望遠鏡，它一直在通過尋找宇宙微波背景輻射中的一個微小特性，證明引力波的存在。這一輻射產生于宇宙大爆炸。1964年，美國科學家用射電望遠鏡發現了這種波的存在，并把它叫作大爆炸的“回聲”。BICEP測量的就是這種微波輻射的大尺度極化。只有當原初引力波經過暴脹放大之后才能具有這種印跡。

什么是宇宙暴脹？

宇宙大爆炸假說最初是由比利時的物理學家喬治·勒馬特提出的。他把宇宙大爆炸叫作“沒有昨天的那一天”，因為它是時間和空間產生的那一刻。但是宇宙大爆炸并不符合所有天文學家的觀測。宇宙中的物質分布太均勻了，不可能是最初設想的那種宇宙大爆炸造成的。因此，在20世紀70年代，宇宙學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極小的時間段發生。只有宇宙暴脹可以使得原初引力波信號放大到可以被檢測的程度。如果檢測到了原初引力波，就意味著暴脹確實發生過。

下一步是什么？宇宙學家的任務完成了嗎？

才沒有呢，可以說工作才真正開始。愛因斯坦知道廣義相對論和量子力學并不吻合。廣義相對論探討的是引力和宇宙的整體，而量子力學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。即使經過了一個世紀的努力，物理學家還是沒能說明這些理論怎樣才能共同作用。原初引力波產生的時候，引力和宇宙與粒子和自然界其他作用力在同一個尺度下作用。這次的檢測結果及其后續分析有望告訴我們這些理論是能夠共同作用的。如果這個問題得到詮釋，它就會通向物理學家渴望的“大統一理論”。