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模擬顯示了兩個(gè)黑洞一起旋轉(zhuǎn)時(shí)來自兩個(gè)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(tái)）的探測(cè)儀器，他們終于觀測(cè)到了第一個(gè)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(cè)。這次引力波的來源十分地不可思議：兩個(gè)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(gè)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(gè)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(cè)已變得日?；@著這種新的方法，研究人員們正在著力解決宇宙中的4個(gè)謎題。下面就讓我們一起看一下是哪4個(gè)謎題吧！

世界各地的引力波探測(cè)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(shí)，燃料耗盡并向內(nèi)坍縮，就會(huì)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(shí)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(gè)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(gè)恒星黑洞撞擊的時(shí)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(cè)到了這個(gè)時(shí)間點(diǎn)之前的引力波，就證明了原初黑洞的存在。同時(shí)，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(gè)維度：長、寬、高和時(shí)間，符合愛因斯坦廣義相對(duì)論。然而，科學(xué)家們總是喜歡將物理元素統(tǒng)一到一個(gè)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(shí)空上再添加1個(gè)維度，也就是第5維，把愛因斯坦的相對(duì)論方程加以改寫，改寫后的方程可以把當(dāng)時(shí)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(gè)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(gè)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(gè)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(cè)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(shí)，會(huì)造成時(shí)空的收縮與拉伸。例如，時(shí)空中的一個(gè)圓會(huì)變成橢圓，在長直徑方向上被拉伸，同時(shí)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(gè)原理，由于引力波造成了時(shí)空的拉伸和壓縮，從同一點(diǎn)向空間的兩個(gè)方向出發(fā)并反射回來的光，本應(yīng)走過相同路程，但因時(shí)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(shí)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(shí)的肺部一樣，多個(gè)方向同時(shí)膨脹或收縮（程度不一定相同）。這對(duì)引力波探測(cè)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(cè)儀也在運(yùn)行當(dāng)中。而且日本神岡引力波探測(cè)儀也將于2019年底投入使用。屆時(shí)，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(huì)在質(zhì)量減少的同時(shí)，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(gè)問題可能會(huì)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(shí)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(duì)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(duì)粒子剛好在視界處出現(xiàn)，那么就有可能一個(gè)粒子在視界內(nèi)，掉入黑洞，而另一個(gè)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(gè)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(gè)由“霍金輻射”粒子形成的火墻，這個(gè)能量巨大的火墻會(huì)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(gè)視界之外的火墻到底存不存在。

兩個(gè)黑洞合并會(huì)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(huì)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(shí)，如果黑洞只有視界，那么它就不會(huì)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(hào)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(cè)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(huì)讓我們對(duì)視界及其附近有一個(gè)新的認(rèn)識(shí)。目前，艾弗士蒂和他的同事正在改進(jìn)策略，以更好地識(shí)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(gè)超級(jí)方便的隧道，可以連接宇宙中兩個(gè)不同的區(qū)域，或者兩個(gè)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(duì)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(shí)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(huì)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(huì)發(fā)出引力波“回聲”。由于視界是一個(gè)“有去無回”的邊界，當(dāng)兩個(gè)黑洞碰撞，進(jìn)入黑洞視界的引力波漣漪并不會(huì)被反射回來。但如果兩個(gè)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(huì)被吸收消失，而是會(huì)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(shí)候，將很難分辨產(chǎn)生回聲的到底是黑洞火墻還是蟲洞。