引力波是什么？

晨飞

引力波是什么？

引力波是携带能量穿越宇宙的涟漪，1916年，作为广义相对论的推论，阿尔伯特·爱因斯坦预测了它的存在。虽然有很多间接证据能够证明其存在，但引力波在此之前从来没有被直接检测到过。这是因为引力波太微小了，只有一个原子的百万分之一。它们就像湖面上的细小波纹—从远处看，湖面像镜子一样光滑，只有靠得非常近时才能看到湖面上的细。

原初引力波更为激动人心，它们诞生于宇宙诞生的最初时刻。这些引力波携带着宇宙如何产生的至关重要的信息。

什么是广义相对论？

1916年，阿尔伯特·爱因斯坦发现了一个用数学描述引力的方法，他把这叫作广义相对论。这种理论基于一组将空间和时间放在一起进行描述的坐标，被称为时空连续体。

物质和能量能让时空连续体产生翘曲，就像重物在床垫上产生的效果那样。弯曲会导致引力产生，而引力波是时空连续体中的涟漪（试着把床垫换成一张水床想想看）。

这些并不都是艰涩难懂的数学。广义相对论告诉我们引力如何影响时间，卫星导航系统必须纳入时间因素，才能准确告诉你你在哪里。

这一发现的意义是什么？

科学家检测到引力波有两方面的重要意义。首先，这开启了研究宇宙的全新方式，使科学家能够对产生这些引力波的过程进行推断。其次，它会证明宇宙膨胀的假说。它还可以向我们提供有关宇宙起源，也就是大爆炸的信息。

怎样才能检测到引力波？

科学家在南极极点架设了一台叫作BICEP的望远镜，它一直在通过寻找宇宙微波背景辐射中的一个微小特性，证明引力波的存在。这一辐射产生于宇宙大爆炸。1964年，美国科学家用射电望远镜发现了这种波的存在，并把它叫作大爆炸的“回声”。BICEP测量的就是这种微波辐射的大尺度极化。只有当原初引力波经过暴胀放大之后才能具有这种印迹。

什么是宇宙暴胀？

宇宙大爆炸假说最初是由比利时的物理学家乔治·勒马特提出的。他把宇宙大爆炸叫作“没有昨天的那一天”，因为它是时间和空间产生的那一刻。但是宇宙大爆炸并不符合所有天文学家的观测。宇宙中的物质分布太均匀了，不可能是最初设想的那种宇宙大爆炸造成的。因此，在20世纪70年代，宇宙学家假定了一种宇宙的突然放大，称其为宇宙暴胀，在宇宙大爆炸之后的一个极小的时间段发生。只有宇宙暴胀可以使得原初引力波信号放大到可以被检测的程度。如果检测到了原初引力波，就意味着暴胀确实发生过。

下一步是什么？宇宙学家的任务完成了吗？

才没有呢，可以说工作才真正开始。爱因斯坦知道广义相对论和量子力学并不吻合。广义相对论探讨的是引力和宇宙的整体，而量子力学探讨的则是微观尺度的粒子和自然界的其他作用力，以及电磁。即使经过了一个世纪的努力，物理学家还是没能说明这些理论怎样才能共同作用。原初引力波产生的时候，引力和宇宙与粒子和自然界其他作用力在同一个尺度下作用。这次的检测结果及其后续分析有望告诉我们这些理论是能够共同作用的。如果这个问题得到诠释，它就会通向物理学家渴望的“大统一理论”。