引力波的发现在科学上的意义

2019-11-25 - 引力波

在早期宇宙研究中,“原初”更进一步特指“宇宙学暴涨”——宇宙极早期经历的急剧加速膨胀过程——时期。

回到引力波。通常的“结构”——星系、超星系、超星系团,是宇宙空间中质量“密度”的起伏。密度是空间的“标量场”,而引力波——却是空间的“张量场”波动。

引力波的发现在科学上的意义
引力波的发现在科学上的意义

《华夏时报》:那么引力波的发现对科学界来说究竟有多大的意义?

河马(天文学者):我虽然是做天文的,但我没能做到融会贯通。宇宙学并不是我的研究方向,具体到这个问题更是艰深难懂,我所在的研究所,为了这个问题还专门组织专家研读论文,大家利用午休时间讨论一下才能更理解,更何况我自己才疏学浅。我下面所回答的仅供参考和科普。

引力波的发现在科学上的意义
引力波的发现在科学上的意义

我只能说很多新闻报道非常不专业,错误地把重点引向了引力波。当然,引力波的探测是很重要,但就这个发现来说,完全不是发现一个引力波那么简单。这个发现的重点是暴涨理论。

我们的标准宇宙学认为宇宙起源于一次大爆炸,所有的东西都在这个爆炸之后相互远离。所以哈勃在上世纪20年代发现了星系之间相互远离,远离的速度正比于距离。这个是大爆炸的后遗症。

引力波的发现在科学上的意义
引力波的发现在科学上的意义

但是这里面存在一个还没能解决的问题,就是因果关系问题。如果宇宙中的两个点需要发生作用、有了关联,那么一定是一个点作为原因,另一个点作为这个作用的结果,因果信息从一个点传递到另一个点,这个关联就建立了,这叫做因果关系。

引力波的发现在科学上的意义

因果关系的建立是需要时间的,这个速度最大就是光速。我们又知道,宇宙今天的年龄大约是137亿年了,那么我们用137亿年乘上光速,就可以知道一个最大的距离,只有在这个距离以内的两个点,才来得及在宇宙诞生之后发生因果关系。超过这个距离的点来不及发生因果关系。

宇宙膨胀的早期温度很高,不同区域的温度也有差异,但是今天的宇宙非常均匀。想做到这一点需要这些点之间相互作用达到热平衡。所以有人猜测,是不是在宇宙刚刚大爆炸之后很短的时间里,就发生了一次非常奇怪的剧烈膨胀,使得空间一下子增加了好多好多。

理论上说的这个剧烈的膨胀在瞬间改变了很多物理性质,我们叫做暴涨,inflation。由于暴涨,我们的宇宙才会变得每个点看上去都差不多的样子。但这一直仅仅是一个预言,没有实际的观测证据。

如果这个暴涨是存在的话,会有引力波的辐射,这个辐射可以分解为两种成分,分别是类似电场的E模式和类似磁场的B模式。

目前说的这件事,指的就是这个发现。这个发现的直接结果就是,证实了暴涨的存在,解决了今天的大爆炸宇宙模型的一些疑难问题,让大爆炸宇宙模型更加牢固了。

张震(宇宙学者):发现引力波的重要意义,证实了爱因斯坦的广义相对论。引力波是爱因斯坦的广义相对论里最后一个还未被证实的理论。虽然广义相对论在各个方面表现良好,不过任何物理理论都是处在“可证伪”的假设下,需要不停地面对来自各方的挑战。因此引力波的发现对证实爱因斯坦的理论还是很有帮助的。它还证实了宇宙的膨胀 可以提供更多关于大爆炸初期的信息。

这一发现离大一统理论又近了一步。自然界一共四种力:电磁力、引力、强力、弱力。发现一个大一统理论把他们都统一起来一直以来都是科学家的梦想。而阻挡这个梦想实现的一个巨大的拦路虎就是引力。电磁力、强力和弱力都已经被比较好地统一在一起了,唯独引力一直很让人头疼。

因为在大爆炸初期,引力波是在量子物理的尺度下产生,随后被宇宙暴涨放大的,这就提供了一个奇妙的量子物理与引力的重合点,对大一统理论的研究很重要。

矫情的天文狗(天文学者):爱因斯坦广义相对论所描述的引力,是时空曲率所产生的一种现象。质量可以导致这种曲率。当物质在时空中运动时,附近的曲率就会随之改变。大质量物体运动时所产生的曲率变化会以光速像波一样向外传播。这一传播现象就是引力波。

天文学家可以通过观测双星轨道参数的变化间接证明引力波的存在。双星体系公转、中子星自转、超新星爆发以及理论预言的黑洞的形成、碰撞和捕获物质等过程理论上都应该可以辐射较强的引力波,如果可以观测到,便是对引力波存在的极佳例证。

在引力波理论中,物质运动或者物质质量发生变化都会激发引力辐射。从数学上来讲,我们可以把任何物质或物质系统的质量分布以质量多极矩的形式表示出来,引力波是由于质量多极随时间变化时辐射的。物质的质量单极矩是它的质量,根据能量守恒定律,它是一个常数,不随时间变化,因此不会有类似的引力辐射产生。质量偶极矩的时间微分是源的动量,根据动量守恒律,它也是不随时间变化的,当然也不会有引力偶极辐射。

天文学研究的一个重要方向就是观测天体的辐射,电磁辐射天文学、宇宙线天文学、中微子天文学和引力波天文学是根据辐射类型进行的分类。现在,对天体的电磁辐射进行观测依旧是主流,但是,由于从遥远的天体发出的电磁波在经过大气层的时候会有很严重的损失和消耗,因此,电磁学天文学的发展有着很强的局限性。

相比之下,引力波天文学是以探测物质辐射的引力波为基础的一门新兴科学,引力辐射是由天体源的物质运动或质量分布发生变化时产生的,不存在观测电磁波时遇到的困难,所以引力波天文学为科学工作者拓展了思路,开拓了一片新的视野,为我们提供许多其他观测方法不能取代的方法,也会丰富我们对宇宙的认识。

Shen Daniel(心理学家):发现引力波在科学上有很大意义,但并没有现在媒体和科学家们鼓吹的那么大。

人类发展到今天,尤其是最近几十年,在基础科学上的进步可谓举步维艰,至于宇宙学和物理学,发展到弦论,几乎都快没有实验物理学家什么事了,就连这个理论,物理学家也不太能插上手了,以至于让数学家在里面大放光彩,甚至哲学家也能在纯粹的物理学上有话说。

很多物理学家认为物理学走上了邪路,这些理论目前根本不能用实验来验证,甚至连验证的基本方法都提不出来,这种所谓的“发展”被很多物理学家和科学家认为其实是基础科学的停滞。科学已经变得不像科学,更像是“星级穿越”电影。

正在此时,实验物理学上的重大突破——引力波的发现,无疑是为目前的物理学界和宇宙学界,乃至整个基础科学界打入了一剂强心针。科学家们实在太需要它来证明自己的价值了。这就是媒体和学术界炒作的原因。

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