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原初引力波的发现在科学上有多大的意义?
2016-02-14 14:50:55   来源:   评论:0 点击:

不少文章(特别是新闻报道)喜欢把原初引力波比喻成“大爆炸的涟漪”。名字很美,但却是一个误解。
美国科学家将宣布引力波重大发现
里面提到”这将是宇宙学史上重要的时刻,因为其背后隐藏着宇宙大爆炸之谜,与宇宙开端有关。“能否详细解释一下这句话的含义?
为什么说"如果引力波的探测发现获得证实,那么几乎可以肯定是下一个诺贝尔奖。"?

现在发现已经公布了美科学家探测到原始引力波 或证明宇宙膨胀理论。这是已经证实了引力波的存在了吗?


【按:目前关于这一发现的报道和科普文已有很多,但是不少文章(特别是新闻报道)喜欢把原初引力波比喻成“大爆炸的涟漪”。名字很美,但却是一个误解。其似乎在暗示,原初引力波的产生,如同一个本来平静的空间,一颗炸弹爆炸所激起的冲击波。但实际上,这很不确切。具体见下面第三、四节。】

【一】

中文报道里用到一个词——“原始”。这个词的英文是“primordial”,宇宙学中一般译为“原初”。

原初”在宇宙学中一般是泛指“复合之前”这个阶段。宇宙在大约38万年的时候,随着温度的降低,自由质子和电子重新结合成中性原子——所谓“复合”。此时,等离子体的雾霾散去,宇宙变得透明,光可以畅行无阻。于是这些光,经过137亿年的征程,进入我们的“眼睛”,即是所谓“宇宙微波背景辐射”——婴儿宇宙38万岁时的照片。

“宇宙微波背景辐射”在1964年就被贝尔实验室的Penzias和Wilson发现了,并为二人带来了1978年的Nobel物理学奖。

【二】

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。

最初,“暴涨”理论的提出,是为了解决旧的“大爆炸”理论的几个困惑,比如:
  • 今天的宇宙空间为何看上去如此平坦?
  • 宇宙这么大,各个地方离得那么远,却为何看上去都差不多?
而“暴涨”理论非常优雅地解决了这两个疑难:
  • 急剧的加速膨胀——就像吹气球一样——把所有可能的不均匀和不平坦都抹除、拉平了。
  • 今天的宇宙最初是一块很小的区域,是“暴涨”把它们拉开的;所以各部分离得这么远、却看上去差不多,因为它们曾经在一起。

【三】

但一个问题是,既然暴涨把所有的不均匀性都抹平了,那宇宙应该空无一物、极度乏味,可为何宇宙还确实存在“结构”——星系、超星系、超星系团等等?

就像大海一样,远观像镜面一样平静,近观却波涛汹涌,真实的空间中也无时无刻不存在随机的“量子涨落”。但是通常情况下,这些“涨落”却随起随灭,如同电视机无信号时的雪花点,吵吵半天,仍然是灰白一片,什么也没留下。

但是“暴涨”却提供了一种“冻结”机制。就像海面的波涛,一旦涌起,就赶紧“冻”住。于是最终海面就不再是随机的翻涌,而是如同连绵的冰山一样,有了特定的“结构”。同样,空间中的“量子涨落”,产生于虚空,但是被暴涨所“冻结”,形成一粒粒的真实的“尘埃”——今天宇宙结构的“种子”[1]。

而这种“冻结”机制的存在,也正是因为宇宙的“加速膨胀”——暴涨“一箭双雕”地解决了旧大爆炸的困难,同时产生了宇宙的结构。也正是因为后者,暴涨才成为今天早期宇宙研究的基础。

暴涨把产生于虚空的随机量子涨落冻结成实在,就像把随手画的钞票兑换成真金白银一样。于是暴涨的发明者Alan Guth喜欢说,宇宙就是一场免费午餐。

【四】

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。

于是,一个更确切的说法是,空间中无处不在的“张量场”的随机涨落,在暴涨过程中被“冻结”,同时被暴涨拉伸到宇宙的尺度,形成原初引力波背景。

这些“张量场”的随机涨落一直都在,其本身并不是暴涨(或是大爆炸)产生的。就在今天,此时此刻,我们周围,仍然无时无处不存在张量场(包括其他各种场)的随机涨落。今天的这些随机涨落,对于我们只是“噪声”,甚至我们都无法察觉其存在。但是在暴涨时期,这些随机涨落被“冻结”,形成了固定的背景起伏。

【五】

描述经典电磁场的Maxwell理论预言了电磁波——以光速传播的电场和磁场的振动——的存在;描述经典引力场的Einstein广义相对论也预言了引力波——以光速传播的引力场的振动——的存在[2]。

电磁场的“荷”即是“电荷”,电磁波可以通过天线产生震荡电流,从而被探测到。引力场的“荷”即是“质量”。原则上,当一束引力波通过,我们也会看到物体被拉伸、压缩、扭曲。这也是引力波真正意义上的直接探测。但是,引力实在是太弱了。电磁波早在1887年即被Hertz证实,在今天的生活中也已无处不在。但是引力波,在从广义相对论发明至今的近一百年里,却一直没有被直接探测到。

1974年,Hulse和Taylor发现了第一颗射电脉冲双星PSR 1913+16。这个双星系统轨道周期的变化与引力波辐射损耗的预言相吻合,从而间接证明了引力波的存在。二人也因此获得1993年的Nobel物理学奖。

【六】

宇宙微波背景——宇宙38万岁时的照片,却记录了原初引力波的踪迹。

这张38万岁的照片,从某种意义上来说,类似一张3D照片。因为它同时记录了光的两种偏振,就像观看3D电影一样,我们可以带上3D眼镜,使一只眼睛分别只看到一种偏振。

光的偏振在宇宙微波背景上的“分布”,也有两种模式。一种叫“E模式”——因为其看起来“像”电场,而中学物理书里电场通常用E表示;一种叫“B模式”——因为其是“螺旋”状的,看起来“像”磁场,而磁场用B表示。下图是这两种模式的形象展示[3]:需要强调的是,E、B模式是偏振“分布”的两种模式(或者说“偏振场”的两种模式),和光的两种偏振本身是两回事。

问题的关键在于:
  • “E-模式”,可能来自密度涨落,也可能来自引力波,于是仅靠观测“E-模式”无法确证是引力波的贡献;
  • “B-模式”,无法由密度涨落产生,通常认为即来自引力波[4]。
宇宙微波背景记录的是在此之前的信息,于是,如果在宇宙微波背景上看到了“B-模式”的偏振分布,毫无疑问就是“原初”引力波——即在暴涨期间产生的引力波——的证据。

【七】

最终,2014年3月17日,美国BICEP2(Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization,宇宙超星系极化背景图像)实验组[5,6]宣布以超过5个标准差的置信度,探测到了宇宙微波背景中来自原初引力波的“B-模式”偏振模式。下图是实验组文章中展示的偏振分布图[7]:最后,这个发现的科学意义(包括但不限于):
  • 支持了广义相对论;
  • 支持了暴涨理论;
  • 支持了“微扰”量子引力;
  • 确定了张量、标量涨落幅度比值;
  • 确定了暴涨的能量标度;
  • 进一步限制了暴涨模型;
  • 开辟了引力波观测窗口。

——————
附注
[1] 稍具体点,暴涨时期宇宙有一个特征尺度,即“哈勃尺度”。量子涨落的波长被暴涨迅速拉长,一旦超出哈勃尺度,量子涨落退相干,成为经典的扰动,从而被固定在那里。
[2] 可以参考:引力的传播速度是光速吗?
[3] 图片来自http://www.skyandtelescope.com/news/Seeking-the-Cosmic-Dawn-217764581.html
[4] “B-模式”还可以有其他来源,比如引力透镜可以将“E-模式”扭曲为“B-模式”。而这种来自引力透镜的“B-模式”偏振分布已经被SPT(南极望远镜)和PolarBEAR观测到。
[5] BICEP and Keck Array
[6] BICEP2 2014 Results Release
[7] http://arxiv.org/abs/arXiv:1403.3985



我只能说题目中链接里的新闻非常非常非常不专业,错误地把重点引向了引力波。当然,引力波的探测是很重要。但就具体到这个发现来说,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。

我不是研究宇宙学的,所以具体的还要等宇宙学家来回答。我只能说一点我知道的。

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。





一个新时代的开始!!!

非物理学专业,电气出身,大牛太多,引力波不懂,不敢造次,来看看我老本行,电磁波当年的历程!可以作为参考!!

1752年 富兰克林花式作死,风筝实验,打雷天放风筝,友情提示:千万别学他!

1785年 法国物理学家库伦提出库伦定律,就是点电荷作用力公式,F=kQ1Q2/r^2,同名相斥,异名相吸

1820年 丹麦科学家奥斯特证明通电导体周围存在磁场,就是著名的奥斯特实验,指南针偏转。

1831年 法拉第提出电磁感应定律 还记得高考物理里面的切割磁感线产生感应电动势吗?那几个右手定则左手定则绕晕了多少人?

1865年 大神来了!!!前方高能!!麦克斯韦首次提出了号称上帝写出的麦克斯韦方程组!!看过一本书上说爱总当年是受某个著名物理学家刺激,走上了物理学之路,恩,这个某个著名物理学家就是麦克斯韦,他的方程组直接在经典力学的大厦旁边,建立了电磁学的摩天大楼,所有的电磁现象都可以用这组方程描述!号称上帝写下的诗!而且,麦克斯韦直接在方程中预言了电磁波的存在,当时完全没有人知道电磁波是个什么玩意!麦克斯韦直接就给出了预言,而且预言电磁波的传播速度就是光速!

1888年,德国物理学家赫兹(这名字眼熟吧?对,频率的单位就是用他的名字命名的,那个Hz)完成了他一生中最著名的实验,证明了电磁波真实存在。赫兹一辈子活了40岁都不到,甚至可以说,他就是上帝派来为人类完成这个实验的!顺便提一句,这个著名的证明电磁波存在的实验中还暗含了量子力学的伏笔——光电效应,不过咱们这里谈的是电磁学,量子论的东西按下不表,我也不懂,不敢乱扯。

好了,到此为止,电磁波终于被证明真实存在,接下来,就是开始应用了。

接下来进入炫丽的电磁波的光辉岁月,有不少疏漏,仅说些关键的。

1898年,意大利电气工程师马可尼发了第一封无线电,成为无线电之父。这货最牛逼的一点是他不仅靠着无线电拿了专利发了大财,还顺手拿了1909年的炸药奖,堪称名利双收,真乃我辈电气狗的楷模和偶像!

1906年,无线电广播发明,人类开始有了收音机

1930年代,雷达发明,为大英帝国打赢不列颠空战立下汗马功劳,不然的话,你我有可能现在还得说日语。

1945年,美国工程师斯彭塞研究雷达的时候意外发现了电磁波的热效应,鼓捣出了微波炉,从此人类热饭热菜可以不用点火了。你现在中午在单位热个便当,还得感谢他。

1957年,人类第一颗卫星上天,前苏联的斯普特尼克1号,开启太空时代。

1964年 GPS系统组网成功上线,人类远航的时候,终于可以彻底告别罗盘指南针,不用再担心迷路。

1965年 美国贝尔实验室的雷达工程师(又是雷达!)彭奇亚兹和威尔逊在研究雷达噪声的时候意外发现了3k背景辐射,证实了大爆炸理论,谢耳朵研究的就这东西。同时开启了射电天文学时代,以前的望远镜观测的都是可见光频段,从此可以观测无线电波、红外、紫外、x射线、伽马射线频段了。随之而来的射电天文学四大发现,让人类对于宇宙的认识上升到一个新的高度,其中的脉冲星引发的“小绿人”的猜想,还引发了一阵关于地外生命的讨论,外星人真的存在吗?

1969年 阿姆斯特朗登上月球,那句振奋人心的“个人一小步,人类一大步”激励了一代人!至少十亿观众在电视机前看到了这小小的一步,跨越了几千年文明的一步!

1973年,美国的moto罗拉公司工程师马丁•库帕发明手机。移动通信时代开始。

1999年,IEEE发布了WIFI协议,是澳洲人先搞出来的,你所不知道的是,每买一件无线设备,都要给澳大利亚政府付专利使用费。现在的亲们,是不是到哪吃饭,第一件事就是找服务员要密码?
…………

等等等等,这一切,都是从遥远的18世纪开始的,当年的人类,并不知道电磁波是个什么玩意,后来知道了,也不知道这玩意有个卵用。而今天,你我的生命中,哪里离得开电磁波?你至少此时此刻,用你的手机刷着知乎,就得感谢这些科学家,感谢这些为了并不知道有什么卵用,却依然埋首其中,默默努力一辈子的人们,他们是人类的脊梁。


多年以后,当人类造出曲速引擎开启星际殖民时代的时候,一定会回忆起证实引力波存在的那个遥远的下午。

看到有回答说,真的想再活500年,看看引力波有什么用,我也有这样的想法,看看引力波可以为人类带来的,翻天覆地的变化,而这一切,就是从今天,从此刻

公元2016年2月12日,开始的

路曼曼其修远兮,吾将上下而求索,愿与诸君,共勉!

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。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,那么我们就可以用137亿年乘上光速,我们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。

但是实际上却不是这样。观测发现宇宙竟然在很大的尺度上都是均匀的,每个点似乎都商量好了一样彼此保持一致,呈献给我们一个非常简单状态的宇宙,我们不需要对每个不同的方向建立不同的理论。所以我们没能解决这个因果的问题。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。

(当然,除了这个简单化解释的因果问题以外,还有很多问题得不到解释,比如磁单极子为什么找不到等等。)

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。因为前者有梯度没有旋度,后者有旋度没有梯度。E模式很容易被现有的理论解释和观测到。但是B模式很难观测到。产生B模式有两个机制,分别是暴涨,或者引力透镜。引力透镜产生B模式已经在去年被南极天文台观测到了。那么如果还能观测到新的B模式的引力波,就意味着暴涨理论是真实存在的。

题目中说的这件事,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。

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