讓引力波來解謎

思源

模擬顯示了兩個黑洞一起旋轉(zhuǎn)時來自兩個黑洞的引力波

2015年9月，物理學(xué)家們宣布，通過LIGO（激光干涉引力波天文臺）的探測儀器，他們終于觀測到了第一個引力波現(xiàn)象，證實(shí)了偉大的科學(xué)家愛因斯坦100年前的理論預(yù)測。這次引力波的來源十分地不可思議：兩個黑洞撞在一起，引起了宇宙的漣漪。

首次發(fā)現(xiàn)引力波，除了解決了引力波是否存在的問題，還標(biāo)志著一個全新旅程的起點(diǎn)。在此之前，天文學(xué)家只能通過電磁輻射、宇宙射線和中微子等了解宇宙，引力波則為科學(xué)家研究宇宙提供了一個全新的抓手，開啟了多信使天文學(xué)的新篇章。

今天，引力波探測已變得日常化。圍繞著這種新的方法，研究人員們正在著力解決宇宙中的4個謎題。下面就讓我們一起看一下是哪4個謎題吧！

世界各地的引力波探測器

原初黑洞

近期，天文學(xué)家們聯(lián)合發(fā)布了第一張黑洞的照片，該黑洞位于M87星系的內(nèi)部。照片一經(jīng)發(fā)布，便立刻成為了話題熱點(diǎn)。黑洞是宇宙空間中體積極小但密度極大的天體，連光都不能逃脫其巨大的引力。一般情況下，大質(zhì)量恒星在其自然生命周期結(jié)束時，燃料耗盡并向內(nèi)坍縮，就會形成黑洞。

目前，研究人員發(fā)現(xiàn)的最古老的黑洞出現(xiàn)在130多億年前，即大爆炸后約6.9億年，然而它可能并不是宇宙中最早出現(xiàn)的黑洞，天文學(xué)家認(rèn)為除了恒星黑洞，宇宙中還存在一種“原初黑洞”，它們是宇宙中的第一批黑洞，形成于大爆炸后不到1秒鐘的時間。由于宇宙早期局域空間的物質(zhì)分布過于密集，導(dǎo)致物質(zhì)直接坍塌而形成。

半個世紀(jì)以來，原初黑洞一直被認(rèn)為是宇宙中最神秘的存在，天文學(xué)家很難利用電磁波探尋它，而有了引力波，科學(xué)家們就可以通過原初黑洞碰撞所產(chǎn)生的引力漣漪，尋找它們。

美國布朗大學(xué)的天體物理學(xué)家薩瓦斯·科什帕斯和哈佛大學(xué)的阿維·勒布正圍繞這一課題展開研究，為此，他們估算出了最早可能發(fā)生兩個恒星黑洞撞擊的時間——大爆炸后6700萬年。因?yàn)楹阈呛诙床豢赡茉诤阈侵靶纬?，因此，如果科學(xué)家探測到了這個時間點(diǎn)之前的引力波，就證明了原初黑洞的存在。同時，原初黑洞可以為我們認(rèn)知宇宙提供許多重要的信息。例如，原初黑洞被公認(rèn)為是暗物質(zhì)的有效候選者。

額外的維度是什么樣子的？

額外維度

目前宇宙中有4個維度：長、寬、高和時間，符合愛因斯坦廣義相對論。然而，科學(xué)家們總是喜歡將物理元素統(tǒng)一到一個模型中。1926年，德國數(shù)學(xué)物理學(xué)家西奧多·卡魯扎在4維時空上再添加1個維度，也就是第5維，把愛因斯坦的相對論方程加以改寫，改寫后的方程可以把當(dāng)時已知的兩種基本力即“電磁力”和“引力”很自然地統(tǒng)一在同一個方程中。理論中存在額外添加的維度統(tǒng)稱為“額外維度”。20世紀(jì)80年代提出的弦理論要求更高，試圖通過假設(shè)額外6個微小的、看不見的維度，將自然界的4種基本作用力和基本粒子放進(jìn)一個物理模型。盡管弦理論還有待驗(yàn)證，但是它已經(jīng)在理論物理和數(shù)學(xué)領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。

如果我們想要更加了解宇宙，尋找額外維度是十分重要的。歐洲核子研究中心的物理學(xué)家戴維·安德里特及其同事認(rèn)為：額外維度的證據(jù)就隱藏在引力波的波紋中，他們推測引力之所以是4大基本作用力中最弱的一種，是因?yàn)椴糠值囊μ右莸搅似渌木S度。

當(dāng)引力波穿過時，會造成時空的收縮與拉伸。例如，時空中的一個圓會變成橢圓，在長直徑方向上被拉伸，同時在短直徑方向上就被壓縮。LIGO能夠觀察到引力波也是基于這個原理，由于引力波造成了時空的拉伸和壓縮，從同一點(diǎn)向空間的兩個方向出發(fā)并反射回來的光，本應(yīng)走過相同路程，但因時空的拉伸和壓縮，出現(xiàn)了干涉現(xiàn)象。

宇宙從大爆炸至今的時間線

不過，安德里特提出：如果額外維度存在，那么引力波應(yīng)該以一種被稱為“呼吸”的模式使空間變形，即空間表現(xiàn)得像呼吸時的肺部一樣，多個方向同時膨脹或收縮（程度不一定相同）。這對引力波探測器提出了更高的精度要求。

目前，除了LIGO以外，歐洲的“處女座”引力波探測儀也在運(yùn)行當(dāng)中。而且日本神岡引力波探測儀也將于2019年底投入使用。屆時，如果研究人員發(fā)現(xiàn)這種模式，那么或許宇宙有額外的維度，又或者引力的行為方式與我們認(rèn)為的不一樣，無論哪一種都將重新定義物理學(xué)。

黑洞火墻

黑洞最著名的特征之一就是視界，即黑洞的邊界，它在宇宙中看不見、摸不著。如果任何物質(zhì)不小心跌入其中，便沒有任何逃脫的可能。然而，1974年，著名的物理學(xué)家史蒂芬·霍金提出，黑洞的生命也是有限的，它會在質(zhì)量減少的同時，向外輻射能量，并最終消失，這就是著名的霍金輻射理論。

一個問題可能會縈繞著我們，既然任何物質(zhì)都逃脫不了黑洞，它又是怎么向外輻射的呢？在解釋該問題的時候，霍金引入了量子理論。在量子力學(xué)中，真空并不是空的，粒子和反粒子對不斷在真空中隨機(jī)產(chǎn)生，又相互湮滅，然后消失。如果這對粒子剛好在視界處出現(xiàn)，那么就有可能一個粒子在視界內(nèi)，掉入黑洞，而另一個粒子幸運(yùn)地位于邊界外，逃向宇宙。那些“逃出”黑洞的粒子就形成了霍金輻射。

自從霍金輻射提出以后，黑洞物理學(xué)的研究領(lǐng)域便開始涌現(xiàn)出一大批有趣的理論，其中一個便是“黑洞火墻”理論。該理論認(rèn)為，在黑洞視界周圍，存在著一個由“霍金輻射”粒子形成的火墻，這個能量巨大的火墻會將任何穿過它的物質(zhì)燒成灰燼。盡管黑洞火墻理論還存在爭議，但是引力波也許可以告訴我們這個視界之外的火墻到底存不存在。

兩個黑洞合并會發(fā)出巨大的漣漪，并向外傳播。如果黑洞火墻確實(shí)存在的話，引力波就會有“回聲”。就像是撞擊鐘發(fā)出的聲音一樣，當(dāng)黑洞合并發(fā)出的引力波遇到其他物體反彈回來時，如果黑洞只有視界，那么它就不會產(chǎn)生回聲，反之，這部分波將被火墻反彈，最終以更微弱的信號到達(dá)LIGO。

加拿大圓周理論物理學(xué)研究所的物理學(xué)家尼亞什·艾弗士蒂就在LIGO前三次探測到的綜合數(shù)據(jù)中，發(fā)現(xiàn)了這種回聲的跡象。盡管回聲的證據(jù)并不能完全保證黑洞外存在火墻，但是仍會讓我們對視界及其附近有一個新的認(rèn)識。目前，艾弗士蒂和他的同事正在改進(jìn)策略，以更好地識別“回聲”。

蟲洞

蟲洞經(jīng)常出現(xiàn)在各種科幻小說中，它是一種宇宙中的捷徑，就像一個超級方便的隧道，可以連接宇宙中兩個不同的區(qū)域，或者兩個平行的宇宙。在物理學(xué)中，蟲洞被稱為愛因斯坦·羅森橋，取自物理學(xué)家愛因斯坦和另一位物理學(xué)家內(nèi)森·羅森的名字。1935年，倆人根據(jù)廣義相對論一起想出了蟲洞存在的可能性。

與其他宇宙的謎題一樣，引力波也許能幫助我們發(fā)現(xiàn)這種時空隧道是否有科學(xué)依據(jù)。一些理論物理學(xué)家提出，一些我們認(rèn)為是黑洞的天體，實(shí)際上，很可能是蟲洞。

歐洲核子研究委員會的維托爾·卡多佐及其同事在2016年發(fā)表的一篇論文中稱：與黑洞一樣大小并且無視界存在的蟲洞，可能會發(fā)出引力波“回聲”。由于視界是一個“有去無回”的邊界，當(dāng)兩個黑洞碰撞，進(jìn)入黑洞視界的引力波漣漪并不會被反射回來。但如果兩個蟲洞碰撞，結(jié)果就完全不一樣了。因?yàn)橄x洞沒有視界，而是像兩端開放的隧道，或者說是“井”。進(jìn)入“井”里振蕩的波紋不會被吸收消失，而是會產(chǎn)生一系列的回聲。

蟲洞

盡管黑洞和蟲洞看起來可能不同，但是它們本質(zhì)上是愛因斯坦引力方程的不同解，所以它們可能具有相似的引力特征也不足為奇。不過，當(dāng)天文學(xué)家在引力波中找到確定回聲的時候，將很難分辨產(chǎn)生回聲的到底是黑洞火墻還是蟲洞。