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(guó)科學(xué)家實(shí)驗(yàn)探測(cè)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(cè)到引力波，證實(shí)了愛(ài)因斯坦100年前的預(yù)測(cè)。引力輻射是真實(shí)存在的，這是物理學(xué)和天文學(xué)研究的新進(jìn)展，證實(shí)了廣義相對(duì)論多個(gè)預(yù)言中的一個(gè)。其科學(xué)意義無(wú)法與廣義相對(duì)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(jìn)展沒(méi)有本質(zhì)的不同。

引力波是什么？

引力波也稱重力波，是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論所預(yù)言的一種以光速傳播的時(shí)空波動(dòng)。如同電荷被加速時(shí)會(huì)發(fā)出電磁輻射，同樣有質(zhì)量的物體被加速時(shí)產(chǎn)生時(shí)空扭曲擾動(dòng)，就會(huì)以行進(jìn)波的形式發(fā)出引力輻射，這是廣義相對(duì)論的一項(xiàng)重要預(yù)言。

1916年，德國(guó)《物理學(xué)紀(jì)事》發(fā)表了阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的論文《廣義相對(duì)論基礎(chǔ)》。廣義相對(duì)論將經(jīng)典的牛頓萬(wàn)有引力定律包含在狹義相對(duì)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(duì)論中，引力被描述為時(shí)空的一種幾何屬性（曲率），而這種時(shí)空曲率與處于時(shí)空中的物質(zhì)與輻射的能量—?jiǎng)恿繌埩恐苯酉嗦?lián)系，其聯(lián)系方式即是愛(ài)因斯坦的引力場(chǎng)方程。

根據(jù)廣義相對(duì)論，愛(ài)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(huì)受到扭曲，引力起源自質(zhì)量對(duì)空間的扭曲，但這個(gè)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(yùn)動(dòng)時(shí)擾動(dòng)周圍的時(shí)空，扭曲的時(shí)空波動(dòng)如波紋一樣向外傳播的現(xiàn)象。

首次探測(cè)到引力波，證實(shí)了愛(ài)因斯坦100年前所做的預(yù)測(cè)，引力輻射是真實(shí)存在的，并且黑洞的合并過(guò)程的確會(huì)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(hào)是可以被從地球上探測(cè)到的。彌補(bǔ)了廣義相對(duì)論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)間、空間、物質(zhì)的總和。宇宙指人類所存在的一個(gè)時(shí)空連續(xù)系統(tǒng)，包括其間的所有物質(zhì)、能量和時(shí)間。對(duì)于這一體系的整體解釋構(gòu)成了宇宙論。

在中國(guó)古代就有 “上下四方曰宇，往古來(lái)今曰宙?！?的說(shuō)法，“宇”代表上下四方，即所有的空間，“宙”代表古往今來(lái)，即所有的時(shí)間。所以“宇宙”這個(gè)詞有“所有的時(shí)間和空間”的意思。 把“宇宙”的概念與時(shí)間和空間聯(lián)系在一起，認(rèn)為無(wú)古無(wú)今，無(wú)始無(wú)終，體現(xiàn)了我國(guó)古代人民的獨(dú)特智慧。

按照西方自然科學(xué)的解釋，20世紀(jì)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)宇宙模型。按照宇宙誕生于一次大爆炸的理論，今天我們說(shuō)的宇宙的“宇”空間距離約是138億光年，“宙”時(shí)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?jiàn)，我們?nèi)祟悓?duì)“宇宙”的認(rèn)知甚少，需要探索的方面很多很多，對(duì)引力波的認(rèn)知是一個(gè)進(jìn)步。

引力波有用嗎？

按照廣義相對(duì)論，在局部慣性系內(nèi)，一維時(shí)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(jì)。目前看來(lái)，人類還主要生活在沒(méi)有時(shí)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(yuǎn)。有人甚至懷疑在未來(lái)的幾十年內(nèi)科學(xué)家能否再次探測(cè)到新的引力波。

但廣義相對(duì)論提出，在任意參考系內(nèi)，存在引力，引力引起時(shí)空彎曲，因而時(shí)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(lái)一種觀察宇宙的新方式，探測(cè)引力波的能力有可能對(duì)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(guò)來(lái)的有關(guān)遙遠(yuǎn)天體的信息。發(fā)現(xiàn)引力波有助于探測(cè)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(shí)期的引力波，就有可能幫助揭開(kāi)宇宙的各種謎團(tuán)，甚至破解宇宙的起源。

引力波將帶來(lái)一個(gè)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?yàn)橛钪嫣拼螅庾V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(wú)法觀測(cè)到遙遠(yuǎn)的脈沖星或黑洞，通過(guò)引力波探測(cè)則可以驗(yàn)證這些天體的存在。引力波天文學(xué)是一個(gè)不需要射電望遠(yuǎn)鏡的新的天文學(xué)領(lǐng)域，它將引領(lǐng)我們打開(kāi)理解黑洞、中子星和其他難以采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行觀測(cè)的天體類型的全新視野。