关于引力波六问六答：隐藏宇宙形成关键信息

引力波是携带能量穿过宇宙的涟漪。它最早是在1916年由阿尔伯特·爱因斯坦在其广义相对论中预言的。

1、什么是引力波？

引力波是携带能量穿过宇宙的涟漪。它最早是在1916年由阿尔伯特·爱因斯坦在其广义相对论中预言的。尽管这一现象的存在已经有了大量的证据可以间接证明，但却从未能被科学家们直接观测到。其中的原因是这种效应太过微弱——其波动的幅度远小于一颗原子的100万倍。就像是湖面上的细微波纹——从远处看，整个湖面几乎是像镜子一样光滑的；仅有当你近距离观察湖面时才能察觉那些最细微的细节。

这里尤其引人注意的是，此次所观测到的是所谓“原初引力波”，这是宇宙诞生时刻发出的引力波痕迹，它隐藏着有关宇宙如何形成的关键信息。

2、什么是广义相对论？

1916年，德国物理学家爱因斯坦发现了一种数学的方法来解释引力的本质。他将其称之为“广义相对论”。这一理论依靠一系列的坐标系统，将时间与空间结合在一起进行描述，即所谓的“时空”概念。

物质和能量会造成时空的扰动，就像是重物压在床垫上会凹陷一样。正是这种时空的扰动或扭曲产生了引力。而引力波正是时空中的涟漪。

广义相对论并非完全是难以理解的数学。它拥有深远的实际应用意义，比如它告诉我们引力如何对时间造成影响，而这对于现代的卫星导航定位就十分关键。

3、这项发现的重要意义在哪里？

如果哈佛大学的科学家们此次的发现被证实，那么有两个理由认为这将是极重要的成就。首先，它开启了研究宇宙的一扇全新大门，从而让天文学家们得以考察产生这些引力波的背后机制和过程。第二，它证明一项关键性的理论，即所谓“暴涨”理论是正确的。这将帮助科学家们更好的了解宇宙的起源，即大爆炸理论。

4、引力波是如何被探测到的？

这是一台设置在南极的望远镜，名为“宇宙泛星系偏震背景成像”(Bicep)。科学家们利用这台设备探测宇宙微波背景辐射中一种微弱的特性。这种辐射是宇宙诞生之初的大爆炸中产生的，最早在1964年由两位美国科学家使用一台射电望远镜发现，自那之后便被称作是“大爆炸的回声”。Bicep对这一微波背景辐射的大尺度偏振状态进行了测量。只有原初引力波才具有这种特殊性质，也只有当它们被暴涨放大之后才能被探测到。

5、什么是暴涨？

宇宙大爆炸理论最初是由比利时牧师兼物理学家乔治·勒梅特(Georges Lemaître)提出的。他将其称为是“没有昨天的一天”，因为那是时间和空间的开端。

但大爆炸理论并非与所有天文观测结果相吻合。宇宙中物质的分布太过均匀，以至于难以用原先认为的大爆炸理论进行解释。于是在上世纪1970年代，宇宙学家们提出宇宙在大爆炸之后的短暂时期曾经经历一段急剧快速膨胀的阶段，这就是暴涨，它被认为发生在宇宙诞生后的一瞬间。但要想证明这一点是极端困难的。只有暴涨才能将原初引力波放大到足以被检测到的水平。因此如果我们能够探测到原初引力波，那么这就意味着暴涨必定确实发生过。

6、下一步做什么？宇宙学家们还有活干吗？

当然。现在才只是万里长征走完了第一步。爱因斯坦本人便已经意识到他的广义相对论与物理学的另一项基础理论：量子论之间不相容。广义相对论从宏观尺度上探讨引力和宇宙，而量子论则从微观尺度上探讨粒子以及其他的自然力。全世界的物理学家们都无法找到让这两大理论相容的方法。原初引力波是当引力、宇宙与粒子以及其他自然力在同一尺度下运作时产生的效应。此次探测的结果以及后续的进一步分析将告诉我们这一点是如何实现的。而如果这一点被理解，那它将有助于物理学家们最终构建起所谓的“终极万物定理”。