物理學(xué)定義的引力波、宇宙都是什么

文／李志民

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物理學(xué)定義的引力波、宇宙都是什么

文／李志民

近日美國科學(xué)家實驗探測到引力波的消息在傳統(tǒng)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(yù)測。引力輻射是真實存在的，這是物理學(xué)和天文學(xué)研究的新進展，證實了廣義相對論多個預(yù)言中的一個。其科學(xué)意義無法與廣義相對論比擬，與數(shù)學(xué)領(lǐng)域中某人解決了某某猜想屬于數(shù)學(xué)研究的新進展沒有本質(zhì)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(yù)言的一種以光速傳播的時空波動。如同電荷被加速時會發(fā)出電磁輻射，同樣有質(zhì)量的物體被加速時產(chǎn)生時空扭曲擾動，就會以行進波的形式發(fā)出引力輻射，這是廣義相對論的一項重要預(yù)言。

1916年，德國《物理學(xué)紀事》發(fā)表了阿爾伯特·愛因斯坦的論文《廣義相對論基礎(chǔ)》。廣義相對論將經(jīng)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(chǔ)上應(yīng)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(zhì)與輻射的能量—動量張量直接相聯(lián)系，其聯(lián)系方式即是愛因斯坦的引力場方程。

根據(jù)廣義相對論，愛因斯坦預(yù)言存在引力波。其依據(jù)是在任何有質(zhì)量的物體附近，空間的結(jié)構(gòu)都會受到扭曲，引力起源自質(zhì)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(zhì)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(xiàn)象。

首次探測到引力波，證實了愛因斯坦100年前所做的預(yù)測，引力輻射是真實存在的，并且黑洞的合并過程的確會產(chǎn)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(zhì)的總和。宇宙指人類所存在的一個時空連續(xù)系統(tǒng)，包括其間的所有物質(zhì)、能量和時間。對于這一體系的整體解釋構(gòu)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(lián)系在一起，認為無古無今，無始無終，體現(xiàn)了我國古代人民的獨特智慧。

按照西方自然科學(xué)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(fā)現(xiàn)證實了伽莫夫等人的預(yù)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(zhì)，26.8%的暗物質(zhì)和68.3%的暗能量構(gòu)成?？梢姡覀?nèi)祟悓Α坝钪妗钡恼J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(nèi)，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(nèi)，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(nèi)科學(xué)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(nèi)，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(fā)現(xiàn)可能為天文學(xué)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(xué)產(chǎn)生重大影響。從科學(xué)意義上看，引力波是宇宙中天體大災(zāi)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(guān)遙遠天體的信息。發(fā)現(xiàn)引力波有助于探測到宇宙中發(fā)生的天體災(zāi)變性大事件，比如黑洞融合、中子星事件、超新星爆炸，甚至導(dǎo)致宇宙誕生的大爆炸。一旦發(fā)現(xiàn)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(xué)領(lǐng)域，引力波天文學(xué)與現(xiàn)在的普通天文學(xué)存在本質(zhì)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(shù)，普通基于光和電磁波的天文學(xué)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(xué)是一個不需要射電望遠鏡的新的天文學(xué)領(lǐng)域，它將引領(lǐng)我們打開理解黑洞、中子星和其他難以采用傳統(tǒng)方法進行觀測的天體類型的全新視野。