仰望星空，人们总是要问：宇宙从何而来？现在似乎有了答案
美国物理学家17日宣布，他们发现了原初引力波穿越婴儿宇宙留下的印记，这是宇宙刚刚诞生时急剧膨胀的首个直接证据。这一突破性的重大发现有望帮助弄清宇宙诞生之谜，被认为是诺贝尔奖级别的重大成果。美国航空航天局称，这是迄今为止，证明宇宙膨胀理论最有力的证据。到底什么是原初引力波？它和宇宙大爆炸又有什么关系？此次发现的意义何在？ 南京大学物理学院研究团队多年来一直从事宇宙大爆炸的研究，昨天，他们向现代快报记者表示，此次发现可以初步证实宇宙大爆炸的预言。 现代快报记者 金凤 综合 新华社
发现“原初引力波”
什么是引力波？
它是携带能量穿过宇宙的涟漪，隐藏着宇宙形成的秘密
宇宙大爆炸我们谁也没见过，只是物理学家的一种推测。几十年来，科学家们一直在寻找大爆炸发生的证据，“引力波”就是其中最有力的一个。
“我们都知道，砸在牛顿头上的苹果是引力的作用，但之前我们只找到了引力波的间接证据。”南京大学物理学院宇宙学研究团队成员、博士李昌鸿说，长久以来，引力波的存在也像一个幽灵，它是携带能量穿过宇宙的涟漪。如果发生宇宙大爆炸，宇宙中应该会有引力波的出现。就好比气球爆炸之后会有余响一样，宇宙的爆炸应该也会有余响。而这个余响产生的震动就是引力波。
南大物理学院教授张若筠说，引力波之前从未被科学家们直接观测到，其中的原因是这种效应太过微弱—其波动的幅度远小于一颗原子的100万倍。就像是湖面上的细微波纹—从远处看，整个湖面几乎是像镜子一样光滑的；仅当你近距离观察湖面时才能察觉那些最细微的细节。
此次所观测到的是所谓“原初引力波”，这是宇宙诞生时刻发出的引力波痕迹，它隐藏着有关宇宙如何形成的关键信息。
解读
宇宙大爆炸和宇宙暴涨
宇宙大爆炸理论最初是由比利时牧师兼物理学家乔治·勒梅特提出的。他将其称为是“没有昨天的一天”，因为那是时间和空间的开端。
科学家们一直有这样的预测，宇宙源于138亿年前的一次大爆炸。这之前的宇宙一片混沌，而在那次大爆炸后，宇宙产生了，并不断膨胀，行星也慢慢形成。直到今天，我们身处的宇宙还在膨胀。在上世纪70年代，宇宙学家们提出宇宙在大爆炸之后的短暂时期曾经经历一段急剧快速膨胀的阶段，这就是暴涨，它被认为发生在宇宙诞生后的一瞬间。但要想证明这一点是极端困难的。为了这个预言，几十年来，科学家们一直在寻找大暴涨发生的证据，在大暴涨中形成的宇宙最原始的“引力波”就是其中最有力的一个。
暴涨发生在大爆炸后大约10-35秒。这个时间有多短？难以想象！换一个表达方式，那就是0.00000000000000000000000000000000001秒！它只持续了大爆炸后大约10-32秒，我们的宇宙正是在如此短暂的瞬间被“锻造”出来的。在此期间，出于目前还不清楚的一些原因，宇宙经历了一场极端的膨胀。那种膨胀是加速的，跟现在宇宙膨胀的速度完全不可同日而语。有些模型表明，在暴涨期间，宇宙的大小增加了1050倍（有些模型甚至认为更多）—换句话说，宇宙在对我们来说小到完全没有意义的那一瞬间，变大了100亿亿亿亿亿亿倍。
谁第一个预言“原初引力波”？
1916年爱因斯坦在广义相对论中首次提出
1916年，爱因斯坦发表的广义相对论预言了宇宙诞生之初产生的一种时空波动—原初引力波的存在。爱因斯坦用数学的方法来解释引力的本质，这一理论依靠一系列的坐标系统，将时间与空间结合在一起进行描述，即所谓的“时空”概念。物质和能量会造成时空的扰动，就像是重物压在床垫上会凹陷一样。正是这种时空的扰动或扭曲产生了引力。而引力波正是时空中的涟漪。
然而，广义相对论提出近百年来，源于它的其他重要预言如光线的弯曲、水星的近日点进动以及引力红移效应等都被一一证实，而引力波却始终未被直接探测到，问题就在于其信号极其微弱，技术上很难测量，因此也有人将之戏称为“世纪悬案”“宇宙中最大的徒劳无益之事”。这次的新发现也意味着广义相对论的胜利。
广义相对论并非完全是难以理解的数学。它拥有深远的实际应用意义，比如它告诉我们引力如何对时间造成影响，而这对于现代的卫星导航定位就十分关键。
引力波是如何被探测到的？
一台设置在南极的望远镜成了“大功臣”
此次， 哈佛大学的
约翰·科瓦克博士和他的射电天文学团队在宇宙微波背景辐射中找到了由引力波留下的B模式极化信号。他们依靠的是一台设置在南极的望远镜，名为“宇宙泛星系偏震背景成像”(Bicep)。科学家们利用这台设备探测到了一种被扭曲了的宇宙微波背景辐射成像。“这种扭曲的成像，让科学家知道，应该是有外力作用的。”张若筠说。
这种辐射是宇宙诞生之初的大爆炸中产生的，最早在1964年由两位美国科学家使用一台射电望远镜发现，自那之后便被称作是“大爆炸的回声”。Bicep对这一微波背景辐射的大尺度偏振状态进行了测量。只有原初引力波才具有这种特殊性质，也只有当它们被暴涨放大之后才能被探测到。
这项发现有何意义？
填补了广义相对论实验验证的最后一块缺失的拼图
这一发现如获证实，将是物理学界里程碑式的重大成果。
首先，这一发现填补了广义相对论实验验证的最后一块缺失的拼图。其次，这一发现打开了观测宇宙的一扇新窗户。引力波被测量到，意味着人们可以通过引力波而一直追溯到大爆炸之后仅仅10-35秒的极早时期，同时引力波也可以作为另一种观测宇宙的手段。引力波天文学这门新学科的大门也由此打开。第三，这一发现有助于真正理解宇宙大爆炸原初时刻的物理过程，这将帮助科学家们更好地了解宇宙的起源，即大爆炸理论。
第四，这一发现意味着对宇宙微波背景辐射的测量将会进入下一个重要里程碑。过去几十年中，人们测量微波背景辐射，其实主要测量的是温度场的信息，却一直没有测量到引力波的独特印记—B模式偏振。目前，全球多个小组在探测引力波，新发现无疑将极大鼓舞他们的士气，并促进有关国家进一步加大科研投入。
解读
引力波可将人类的声音传遍宇宙
张若筠说，这次发现将会对量子引力理论的构造提供有效信息，如果我们有一个量子引力的理论，没准哪天，我们就可以将量子引力波运用到通讯领域，或者制造出一种量子引力波计算机。
“引力波可以无损耗地被传播到很远的地方，如果能控制引力波，将来可以利用它探测整个宇宙，甚至有一天把它运用到通讯领域。”接受现代快报采访时，张若筠大胆地提出这一构想。
[展望]
这项发现
有望获诺贝尔奖
美国亚利桑那州立大学理论物理学家
劳伦斯·克劳斯在接受新华社记者采访时说，虽然这项成果还需要得到进一步验证，但“无论怎样，都令人激动”。如被证实，将“可以跻身过去25年最重要的宇宙学发现之列”，有望获得诺贝尔奖。
下一步做什么？
当然现在才只是万里长征走完了第一步。爱因斯坦本人便已经意识到他的广义相对论与物理学的另一项基础理论：量子论之间不相容。广义相对论从宏观尺度上探讨引力和宇宙，而量子论则从微观尺度上探讨粒子以及其他的自然力。全世界的物理学家们都无法找到让这两大理论相容的方法。原初引力波是当引力、宇宙与粒子以及其他自然力在同一尺度下运作时产生的效应。此次探测的结果以及后续的进一步分析将告诉我们这一点是如何实现的。而如果这一点被理解，那它将有助于物理学家们最终构建起所谓的“终极万物定理”。
南大专家正研究
引力波另一种模型
张若筠表示，近年来，南大研究团队也在尝试利用激光干涉仪来直接探测引力波，“我们发现大暴涨模型不是一个终极模型，我们近几年来一直从弦论出发，构造比暴涨模型更完美的模型，已经取得了国际同行认可的成就，而引力波的证实是这类模型的最有力的支持。”
发表于 2014-3-19 00:23:31
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