引力波六問六答：隱藏宇宙形成關鍵信息

引力波是攜帶能量穿過宇宙的漣漪。它最早是在1916年由阿爾伯特·愛因斯坦在其廣義相對論中預言的。

美國航空航天局(NASA)稱，引力波的存在，是迄今為止，證明宇宙膨脹理論最有力的證據。到底什麼是引力波？此次發現的意義何在？

1、什麼是引力波？

引力波是攜帶能量穿過宇宙的漣漪。它最早是在1916年由阿爾伯特·愛因斯坦在其廣義相對論中預言的。儘管這一現象的存在已經有了大量的證據可以間接證明，但卻從未能被科學家們直接觀測到。其中的原因是這種效應太過微弱——其波動的幅度遠小於一顆原子的100萬倍。就像是湖面上的細微波紋——從遠處看，整個湖面幾乎是像鏡子一樣光滑的；僅有當你近距離觀察湖面時才能察覺那些最細微的細節。

這裡尤其引人注意的是，此次所觀測到的是所謂「原初引力波」，這是宇宙誕生時刻發出的引力波痕迹，它隱藏著有關宇宙如何形成的關鍵信息。

2、什麼是廣義相對論？

1916年，德國物理學家愛因斯坦發現了一種數學的方法來解釋引力的本質。他將其稱之為「廣義相對論」。這一理論依靠一系列的坐標系統，將時間與空間結合在一起進行描述，即所謂的「時空」概念。

物質和能量會造成時空的擾動，就像是重物壓在床墊上會凹陷一樣。正是這種時空的擾動或扭曲產生了引力。而引力波正是時空中的漣漪。

廣義相對論並非完全是難以理解的數學。它擁有深遠的實際應用意義，比如它告訴我們引力如何對時間造成影響，而這對於現代的衛星導航定位就十分關鍵。

3、這項發現的重要意義在哪裡？

如果哈佛大學的科學家們此次的發現被證實，那麼有兩個理由認為這將是極重要的成就。首先，它開啟了研究宇宙的一扇全新大門，從而讓天文學家們得以考察產生這些引力波的背後機制和過程。第二，它證明一項關鍵性的理論，即所謂「暴漲」理論是正確的。這將幫助科學家們更好的了解宇宙的起源，即大爆炸理論。

4、引力波是如何被探測到的？

這是一台設置在南極的望遠鏡，名為「宇宙泛星系偏震背景成像」(Bicep)。科學家們利用這台設備探測宇宙微波背景輻射中一種微弱的特性。這種輻射是宇宙誕生之初的大爆炸中產生的，最早在1964年由兩位美國科學家使用一台射電望遠鏡發現，自那之後便被稱作是「大爆炸的回聲」。Bicep對這一微波背景輻射的大尺度偏振狀態進行了測量。只有原初引力波才具有這種特殊性質，也只有當它們被暴漲放大之後才能被探測到。

5、什麼是暴漲？

宇宙大爆炸理論最初是由比利時牧師兼物理學家喬治·勒梅特(Georges Lema?tre)提出的。他將其稱為是「沒有昨天的一天」，因為那是時間和空間的開端。

但大爆炸理論並非與所有天文觀測結果相吻合。宇宙中物質的分布太過均勻，以至於難以用原先認為的大爆炸理論進行解釋。於是在上世紀1970年代，宇宙學家們提出宇宙在大爆炸之後的短暫時期曾經經歷一段急劇快速膨脹的階段，這就是暴漲，它被認為發生在宇宙誕生後的一瞬間。但要想證明這一點是極端困難的。只有暴漲才能將原初引力波放大到足以被檢測到的水平。因此如果我們能夠探測到原初引力波，那麼這就意味著暴漲必定確實發生過。

6、下一步做什麼？宇宙學家們還有活幹嗎？

當然。現在才只是萬里長征走完了第一步。愛因斯坦本人便已經意識到他的廣義相對論與物理學的另一項基礎理論：量子論之間不相容。廣義相對論從宏觀尺度上探討引力和宇宙，而量子論則從微觀尺度上探討粒子以及其他的自然力。全世界的物理學家們都無法找到讓這兩大理論相容的方法。原初引力波是當引力、宇宙與粒子以及其他自然力在同一尺度下運作時產生的效應。此次探測的結果以及後續的進一步分析將告訴我們這一點是如何實現的。而如果這一點被理解，那它將有助於物理學家們最終構建起所謂的「終極萬物定理」。