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引力波如何解开的4大宇宙谜题?

2015年9月,物理学家们宣布,通过LIGO(激光干涉引力波天文台)的探测仪器,他们终于观测到了第一个引力波现象,证实了伟大的科学家爱因斯坦100年前的理论预测。这次引力波的来源十分地不可思议:两个黑洞撞在一起,引起了宇宙的涟漪。

模拟显示了两个黑洞一起旋转时来自两个黑洞的引力波?

首次发现引力波,除了解决了引力波是否存在的问题,还标志着一个全新旅程的起点。在此之前,天文学家只能通过电磁辐射、宇宙射线和中微子等了解宇宙,引力波则为科学家研究宇宙提供了一个全新的抓手,开启了多信使天文学的新篇章。

今天,引力波探测已变得日常化。围绕着这种新的方法,研究人员们正在着力解决宇宙中的4个谜题。下面就让我们一起看一下是哪4个谜题吧!

原初黑洞

近期,天文学家们联合发布了第一张黑洞的照片,该黑洞位于M87星系的内部。照片一经发布,便立刻成为了话题热点。黑洞是宇宙空间中体积极小但密度极大的天体,连光都不能逃脱其巨大的引力。一般情况下,大质量恒星在其自然生命周期结束时,燃料耗尽并向内坍缩,就会形成黑洞。

目前,研究人员发现的最古老的黑洞出现在130多亿年前,即大爆炸后约6.9亿年,然而它可能并不是宇宙中最早出现的黑洞,天文学家认为除了恒星黑洞,宇宙中还存在一种“原初黑洞”,它们是宇宙中的第一批黑洞,形成于大爆炸后不到1秒钟的时间。由于宇宙早期局域空间的物质分布过于密集,导致物质直接坍塌而形成。

半个世纪以来,原初黑洞一直被认为是宇宙中最神秘的存在,天文学家很难利用电磁波探寻它,而有了引力波,科学家们就可以通过原初黑洞碰撞所产生的引力涟漪,寻找它们。

美国布朗大学的天体物理学家萨瓦斯·科什帕斯和哈佛大学的阿维·勒布正围绕这一课题展开研究,为此,他们估算出了最早可能发生两个恒星黑洞撞击的时间——大爆炸后6700万年。因为恒星黑洞不可能在恒星之前形成,因此,如果科学家探测到了这个时间点之前的引力波,就证明了原初黑洞的存在。同时,原初黑洞可以为我们认知宇宙提供许多重要的信息。例如,原初黑洞被公认为是暗物质的有效候选者。

额外维度

目前宇宙中有4个维度:长、宽、高和时间,符合爱因斯坦广义相对论。然而,科学家们总是喜欢将物理元素统一到一个模型中。1926年,德国数学物理学家西奥多·卡鲁扎在4维时空上再添加1个维度,也就是第5维,把爱因斯坦的相对论方程加以改写,改写后的方程可以把当时已知的两种基本力即“电磁力”和“引力”很自然地统一在同一个方程中。理论中存在额外添加的维度统称为“额外维度”。20世纪80年代提出的弦理论要求更高,试图通过假设额外6个微小的、看不见的维度,将自然界的4种基本作用力和基本粒子放进一个物理模型。尽管弦理论还有待验证,但是它已经在理论物理和数学领域取得了重要进展。

如果我们想要更加了解宇宙,寻找额外维度是十分重要的。欧洲核子研究中心的物理学家戴维·安德里特及其同事认为:额外维度的证据就隐藏在引力波的波纹中,他们推测引力之所以是4大基本作用力中最弱的一种,是因为部分的引力逃逸到了其他的维度。

当引力波穿过时,会造成时空的收缩与拉伸。例如,时空中的一个圆会变成椭圆,在长直径方向上被拉伸,同时在短直径方向上就被压缩。LIGO能够观察到引力波也是基于这个原理,由于引力波造成了时空的拉伸和压缩,从同一点向空间的两个方向出发并反射回来的光,本应走过相同路程,但因时空的拉伸和压缩,出现了干涉现象。

不过,安德里特提出:如果额外维度存在,那么引力波应该以一种被称为“呼吸”的模式使空间变形,即空间表现得像呼吸时的肺部一样,多个方向同时膨胀或收缩(程度不一定相同)。这对引力波探测器提出了更高的精度要求。

目前,除了LIGO以外,欧洲的“处女座”引力波探测仪也在运行当中。而且日本神冈引力波探测仪也将于2019年底投入使用。届时,如果研究人员发现这种模式,那么或许宇宙有额外的维度,又或者引力的行为方式与我们认为的不一样,无论哪一种都将重新定义物理学。

黑洞火墙

黑洞最著名的特征之一就是视界,即黑洞的边界,它在宇宙中看不见、摸不着。如果任何物质不小心跌入其中,便没有任何逃脱的可能。然而,1974年,著名的物理学家史蒂芬·霍金提出,黑洞的生命也是有限的,它会在质量减少的同时,向外辐射能量,并最终消失,这就是著名的霍金辐射理论。

一个问题可能会萦绕着我们,既然任何物质都逃脱不了黑洞,它又是怎么向外辐射的呢?在解释该问题的时候,霍金引入了量子理论。在量子力学中,真空并不是空的,粒子和反粒子对不断在真空中随机产生,又相互湮灭,然后消失。如果这对粒子刚好在视界处出现,那么就有可能一个粒子在视界内,掉入黑洞,而另一个粒子幸运地位于边界外,逃向宇宙。那些“逃出”黑洞的粒子就形成了霍金辐射。

自从霍金辐射提出以后,黑洞物理学的研究领域便开始涌现出一大批有趣的理论,其中一个便是“黑洞火墙”理论。该理论认为,在黑洞视界周围,存在着一个由“霍金辐射”粒子形成的火墙,这个能量巨大的火墙会将任何穿过它的物质烧成灰烬。尽管黑洞火墙理论还存在争议,但是引力波也许可以告诉我们这个视界之外的火墙到底存不存在。

两个黑洞合并会发出巨大的涟漪,并向外传播。如果黑洞火墙确实存在的话,引力波就会有“回声”。就像是撞击钟发出的声音一样,当黑洞合并发出的引力波遇到其他物体反弹回来时,如果黑洞只有视界,那么它就不会产生回声,反之,这部分波将被火墙反弹,最终以更微弱的信号到达LIGO。

加拿大圆周理论物理学研究所的物理学家尼亚什·艾弗士蒂就在LIGO前三次探测到的综合数据中,发现了这种回声的迹象。尽管回声的证据并不能完全保证黑洞外存在火墙,但是仍会让我们对视界及其附近有一个新的认识。目前,艾弗士蒂和他的同事正在改进策略,以更好地识别“回声”。

虫洞

虫洞经常出现在各种科幻小说中,它是一种宇宙中的捷径,就像一个超级方便的隧道,可以连接宇宙中两个不同的区域,或者两个平行的宇宙。在物理学中,虫洞被称为爱因斯坦·罗森桥,取自物理学家爱因斯坦和另一位物理学家内森·罗森的名字。1935年,俩人根据广义相对论一起想出了虫洞存在的可能性。

与其他宇宙的谜题一样,引力波也许能帮助我们发现这种时空隧道是否有科学依据。一些理论物理学家提出,一些我们认为是黑洞的天体,实际上,很可能是虫洞。

欧洲核子研究委员会的维托尔·卡多佐及其同事在2016年发表的一篇论文中称:与黑洞一样大小并且无视界存在的虫洞,可能会发出引力波“回声”。由于视界是一个“有去无回”的边界,当两个黑洞碰撞,进入黑洞视界的引力波涟漪并不会被反射回来。但如果两个虫洞碰撞,结果就完全不一样了。因为虫洞没有视界,而是像两端开放的隧道,或者说是“井”。进入“井”里振荡的波纹不会被吸收消失,而是会产生一系列的回声。

尽管黑洞和虫洞看起来可能不同,但是它们本质上是爱因斯坦引力方程的不同解,所以它们可能具有相似的引力特征也不足为奇。不过,当天文学家在引力波中找到确定回声的时候,将很难分辨产生回声的到底是黑洞火墙还是虫洞。

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