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物理学定义的引力波、宇宙都是什么

时间:2016-03-16作者:李志民来源:《教育家》杂志2016年3月号

近日美国科学家实验探测到引力波的消息在传统媒体、新媒体及社交媒体中广为传播。探测到引力波,证实了爱因斯坦100年前的预测。引力辐射是真实存在的,这是物理学和天文学研究的新进展,证实了广义相对论多个预言中的一个。其科学意义无法与广义相对论比拟,与数学领域中某人解决了某某猜想属于数学研究的新进展没有本质的不同。

 

引力波是什么?

 

引力波也称重力波,是爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动。如同电荷被加速时会发出电磁辐射,同样有质量的物体被加速时产生时空扭曲扰动,就会以行进波的形式发出引力辐射,这是广义相对论的一项重要预言。

1916年,德国《物理学纪事》发表了阿尔伯特·爱因斯坦的论文《广义相对论基础》。广义相对论将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中,并在此基础上应用等效原理而建立。在广义相对论中,引力被描述为时空的一种几何属性(曲率),而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量—动量张量直接相联系,其联系方式即是爱因斯坦的引力场方程。

根据广义相对论,爱因斯坦预言存在引力波。其依据是在任何有质量的物体附近,空间的结构都会受到扭曲,引力起源自质量对空间的扭曲,但这个扭曲并不总是待在那物体附近,这种空间的弯曲形变可以在宇宙中以光的速度传播。所谓引力波可能是黑洞之类质量非常大的天体在剧烈运动时扰动周围的时空,扭曲的时空波动如波纹一样向外传播的现象。

首次探测到引力波,证实了爱因斯坦100年前所做的预测,引力辐射是真实存在的,并且黑洞的合并过程的确会产生这样的引力辐射,而更重要的是,这样的引力辐射信号是可以被从地球上探测到的。弥补了广义相对论实验验证的缺失。引力波可能成为人类探索宇宙奥秘的新工具。

 

宇宙是什么?

 

宇宙是时间、空间、物质的总和。宇宙指人类所存在的一个时空连续系统,包括其间的所有物质、能量和时间。对于这一体系的整体解释构成了宇宙论。

在中国古代就有 “上下四方曰宇,往古来今曰宙。” 的说法,“宇”代表上下四方,即所有的空间,“宙”代表古往今来,即所有的时间。所以“宇宙”这个词有“所有的时间和空间”的意思。 把“宇宙”的概念与时间和空间联系在一起,认为无古无今,无始无终,体现了我国古代人民的独特智慧。

按照西方自然科学的解释,20世纪中叶,G.伽莫夫等人提出了热大爆炸宇宙模型。1965年微波背景辐射的发现证实了伽莫夫等人的预言。从此,许多人把大爆炸宇宙模型看成标准宇宙模型。按照宇宙诞生于一次大爆炸的理论,今天我们说的宇宙的“宇”空间距离约是138亿光年,“宙”时间约是138亿年。

宇宙大约是由4.9%的普通物质,26.8%的暗物质和68.3%的暗能量构成。可见,我们人类对“宇宙”的认知甚少,需要探索的方面很多很多,对引力波的认知是一个进步。

 

引力波有用吗?

 

按照广义相对论,在局部惯性系内,一维时间和三维空间组成四维平坦的欧几里得空间,引力波微弱可不计。目前看来,人类还主要生活在没有时空扭曲的局部惯性体系内,引力波能够影响普通人的日常生活还很遥远。有人甚至怀疑在未来的几十年内科学家能否再次探测到新的引力波。

但广义相对论提出,在任意参考系内,存在引力,引力引起时空弯曲,因而时空是四维弯曲的非欧黎曼空间,探索宇宙天体变迁不得不考虑引力的存在。

引力波的发现可能为天文学研究带来一种观察宇宙的新方式,探测引力波的能力有可能对天文学产生重大影响。从科学意义上看,引力波是宇宙中天体大灾变留下的痕迹,它携带着不同于光和电磁辐射等方式传递过来的有关遥远天体的信息。发现引力波有助于探测到宇宙中发生的天体灾变性大事件,比如黑洞融合、中子星事件、超新星爆炸,甚至导致宇宙诞生的大爆炸。一旦发现了宇宙大爆炸时期的引力波,就有可能帮助揭开宇宙的各种谜团,甚至破解宇宙的起源。

引力波将带来一个全新的天文学领域,引力波天文学与现在的普通天文学存在本质的不同。因为宇宙太浩大,光谱类和电磁波类太容易受其他天体影响,引力波本身不容易受干扰、传播距离也够,只要突破接收方的解析技术,普通基于光和电磁波的天文学无法观测到遥远的脉冲星或黑洞,通过引力波探测则可以验证这些天体的存在。引力波天文学是一个不需要射电望远镜的新的天文学领域,它将引领我们打开理解黑洞、中子星和其他难以采用传统方法进行观测的天体类型的全新视野。

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