听,宇宙大爆炸的那声“余响”

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1、听,宇宙大爆炸的那声“余响”一个苹果引出的“宇宙级难题”人类对于引力的理解，始于牛顿的那个苹果。在牛顿的万有引力理论中并没有时间因子，这意味着引力是一种瞬时传播的超距作用。根据牛顿的理论，如果某一天太阳突然消失，整个宇宙里面的所有物体都会立即觉察到，所有环绕太阳运行的行星都会沿着切线方向飞离原来的轨道。这种“鬼魅般的”超距作用的观念，一直困扰着很多科学家。1916年，爱因斯坦在所提出的广义相对论中摒弃了牛顿的绝对时空观，引入一种新的时空结构。如果把宇宙时空看成是像蹦床一样的弹性介质，任何有质量的物质都会在蹦床上引起形变，从而让附近的物质能感觉得到。这样的形变

2、会以波动的形式由近及远传播开去，这就是引力波。特殊的是，引力波的传播速度等于光速，宇宙中信息传递的极限速度。5但是，爱因斯坦自己最初对引力波是持保守态度的。1936年，爱因斯坦和他的年轻研究助理罗森向美国物理学期刊《物理评论》寄出了一篇论文，文中声称新宇宙学模型中的引力波并非真实存在。文章按杂志惯例被编辑发给其他同行进行匿名评估，评估意见认为论文中有错误，这种引力波是真实存在的。爱因斯坦得知文章被发给其他专家进行评估觉得很不愉快，并坚持认为引力波并不存在，就将文章转投到其他杂志（爱因斯坦以前的文章都是发表在欧洲杂志上，在欧洲，拒绝功成名就的作者投稿是相当不礼

3、貌的）。后来，那位审稿人，罗伯特逊教授，说服了爱因斯坦，因此爱因斯坦在接受校样稿时，有机会在最终发表的文章中澄清了错误。尽管如此，罗森却并未被罗伯特逊说服，他依然不相信引力波的真实性，后来他独立发表文章坚持原来的观点。直到后来，费曼提出了一个简单的“粘性水珠”的实验，形成了对引力波可观测效应的关键论证。费曼提出，如果引力波垂直通过一根粗糙的棍子，棍子表面附着的水珠会受到引力引起的潮汐力而前后移动。水珠和棍子表面存在的摩擦力会将运动转换为热能，因此引力波必然携带能量，并不是无物理效应的。宇宙大爆炸“余响”的秘密5尽管引力波的观点已经逐渐被物理学家接受，但是如何

4、探测引力波是一个极其困难的事情。爱因斯坦曾经提出过一个实验方案，将一个长20米、重500吨的钢棒高速旋转就能辐射出引力波。但是理论计算表明，即使旋转速度足够快到钢棒被离心力拉断之前，引力波的辐射功率只有10-29瓦特，这样弱的信号是无法被测量到的。要形成可测量的信号，必须具有大质量的物体作为引力波源，最好的选择就是宇宙中运动的天体。1974年，泰勒和赫尔斯分析了互相绕对方旋转的PSR1913+16双脉冲星系统，发现其旋转周期会逐渐变短，轨道逐渐变小。他们认为，这是由于双脉冲星系统会因为辐射引力波而失去能量所导致的，正如变速运动的电荷会辐射电磁波而损失能量一样

5、。在考虑了上述引力辐射阻尼效应所得到的双脉冲星周期数据，和理论预言符合得很好。这形成了引力波存在的第一个间接定量证据，泰勒和赫尔斯也因此获得了1993年诺贝尔奖。引力波一旦产生，将在宇宙中永远地传播下去，因此可以携带波源的信息。理论物理学家认为，最早的引力波产生于宇宙创生的10-36秒，这种原初引力波携带着宇宙创生的信息，如果能探测到这种原初引力波，将对认识宇宙起源至关重要，而且现在看来，这是唯一的方法。这一点还得从爱因斯坦方程谈起。爱因斯坦将引力方程应用到整个宇宙，得到了一个让他吃惊的结果，就是宇宙是收缩的。但是爱因斯坦坚持认为宇宙不应该收缩，所以应该存在

6、某种斥力来抵消引力，于是他引入一个宇宙常数项来表示这种斥力作用，从而可以得到一个静态的宇宙。但是，在1929年，哈勃做出了一个里程碑意义的实验发现，即不管你朝哪个方向看，远处的星系都在远离我们而去，离我们越远的星系远离得越快。也就是说，星系之间的距离在不断增大，宇宙正在不断膨胀。一个简单的反向外推暗示我们，宇宙万物貌似是从某个大爆炸开始的。51948年左右，伽莫夫发展和完善了勒梅特所提出的大爆炸理论。这一理论认为，宇宙万物是从一个很小的点经过一个大爆炸后开始的。1979年，麻省理工学院的阿兰・古斯教授为了解释宇宙学所遇到的其他问题，提出在大爆炸后宇宙应该经历

7、了一个暴涨的阶段，这次暴涨持续时间极短，只有10-33秒，但是宇宙中任何一处空间都放大了1060倍。直观地比较一下就是，原先一个分子大小的空间变得跟银河系一样广阔。也许这一思想听起来非常荒诞，古斯以当时最流行的经济现象“通货膨胀”，调侃性地命名了他的理论。想要证明宇宙的暴涨，关键还是要找到宇宙原初引力波。在大爆炸刚开始阶段，宇宙密度极大，这个时候即使引力子也无法传播。在宇宙暴涨的过程中，宇宙空间急剧增加，物质变得稀薄，引力子就可以传播，而暴涨停止必然会造成时空涟漪，也就是原初引力波。由于引力波可以穿行于宇宙早期物质中，它的频谱和功率可以告诉我们宇宙暴涨时期的

8、信息。但是正如我们前面提到的，直接探测引力波是相当困