关于“引力波”问答

方陵生/编译

阿蒙森-斯科特南极站的“BICEP2”望远镜

 

● 科学家近日宣布，通过南极BICEP2望远镜探测到了物理学家曾预测的引力波在时空中产生的涟漪。BICEP2检测到的这种特别的引力波涟漪是宇宙大爆炸后的急速膨胀所产生的，引力波的发现让我们有幸一瞥宇宙远古历史上最遥远的那一瞬间。“引力波”涉及一些人们比较陌生的概念，以下是关于引力波的问答。

 

BICEP2宣告的意义是什么？科学家需要多年时间来揭示这一发现的意义，以下是目前已经明确的重要意义：

· 早在100年前，爱因斯坦就已经预测到了“引力波”的存在。根据他的计算，这种引力波可能非常微弱，甚至可能微弱到永远不会被探测到的程度。BICEP2的发现是引力波存在的有力证据，虽然还无法直接探测到。

· 发现引力波的存在有助于真正理解宇宙大爆炸最初时刻的物理过程，并确立当代宇宙学标准模型的理论基础。宇宙膨胀说理论认为，在宇宙诞生的最初时刻，在一个极为短暂的瞬间，宇宙以指数速度急剧膨胀，经历了其演化史上的一个“暴涨时期”。

· 在宇宙膨胀期间，宇宙的温度——以及由此产生的基本粒子的能量——是如今任何实验室能够模拟实现的数万亿倍，即使是欧洲核子研究组织（CERN）的大型强子对撞机（LHC）这样的粒子加速器，也无法做到。

· 因为宇宙膨胀是一种量子现象，引力波是经典物理学的一部分，引力波在这两者之间建立了一种联系。引力波的存在可能成为引力像其他自然力一样拥有量子性质的第一个证据。

什么是引力波？根据爱因斯坦的广义相对论，引力是指以质量改变空间形态的一种力量，靠近任何拥有较大质量天体附近的空间结构都会变得扭曲，但是这种空间结构的扭曲并不总是发生在大质量天体附近。另外，爱因斯坦还意识到，这种空间扭曲可以在整个宇宙范围内传播，就像地震波在地壳中传播一样。但与地震波不同的是，引力波在空间是以光速传播的。

如果你能够看见向着你迎面而来的引力波，你会看到它周围的空间向上下左右各个方向时而拉伸，时而压缩的景象。

唯一能产生引力波的只是宇宙膨胀吗？不是。任何质量巨大且加速移动的天体都应该能够产生引力波。我们唯一能够直接探测到的引力波来自宇宙间的一些灾难性事件，如两个黑洞碰撞后融合为一个黑洞。世界各地的一些天文台正在努力探测来自遥远黑洞合并时产生的动静。

为什么引力波不能直接测量，而只能通过射电望远镜探测到？引力波是宇宙膨胀时在宇宙时空中留下的痕迹，如今已经非常微弱，无法直接测量到。科学家在宇宙大爆炸38万年后弥漫于宇宙中的“基本粒子汤”中，通过“宇宙微波背景”寻找引力波的痕迹。观测微波背景辐射用的是检测无线电波的望远镜，引力波在宇宙微波背景上形成的“涟漪”只能通过射电望远镜观察到。

为什么引力波在南极被发现？BICEP2射电望远镜安装在南极阿蒙森-斯科特南极站，位于南极海拔2800多米的冰盖之上，那里大气稀薄，空气干燥，微波不会受到空气中水蒸气的干扰。此外，南极洲几乎无人居住，所以也没有来自手机、电视广播，以及其他电子产品的干扰。

[责任编辑：则 鸣]