原初引力波

广义相对论名词

宇宙开端的大爆炸产生的引力波。在宇宙诞生的最初的瞬间，宇宙中充满稠密的物质，以致由粒子间的碰撞而产生的引力波立即就被另一些粒子吸收了。在宇宙迅速扩张的暴胀阶段，宇宙的密度突然下降，而释放出的引力波不再被吸收。从那时起，那些原始的扰动就在我们周围的空间蔓延开来。

提出

原初引力波是爱因斯坦于1916年发表的广义相对论中提出的，它是宇宙诞生之初产生的一种时空波动，随着宇宙的演化而被削弱。科学家说，原初引力波如同创世纪大爆炸的“余晖”，将可以帮助人们追溯到宇宙创生之初的一段极其短暂的急剧膨胀时期，即所谓“暴涨”。

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被证实，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”。

从经典力学到相对论

伟大的科学家牛顿结合了另外三位伟大的科学家哥白尼(1473-1543)、开普勒 (1571-1630)和伽利略(1564-1642)的理论提出了万有引力定律，解决了许多他那个时期的难题，包括潮汐产生的原因，地球和月亮的运动，以及彗星的轨道问题。然而牛顿的理论虽然解释了什么是引力，但是在随后的300年中，引力产生的原因仍然是个谜。

随着科学家们发明出更好的天文学工具，他们发现他们的观察结果跟牛顿理论预言的有些微小的差别。比如说，牛顿理论对于水星运行轨道的预测与实际观察的结果稍微有些不同。此外，牛顿的理论也不能对如下问题作出一个令人满意的解释，那就是：如果太阳突然消失，那么将会发生什么事？

根据牛顿的理论，整个宇宙都会立刻觉察到太阳的消失。这就意味着所有环绕太阳运行的行星都会沿切线方向飞离环绕轨道。对于这个问题，爱因斯坦给予了更加详细的说明，他认为离太阳越远的行星会越迟知道太阳消失了，所以较近的行星会先飞离绕日轨道。但是在19世纪末期，大多数科学家都认同于当时对于宇宙的描述。实际上，他们中的大部分都认为物理学的研究已经相当完善，所剩下的只是将一些细枝末节了解清楚而已。但问题是这些所谓的“细枝末节”都是些不能用当时的理论给予解释的观测或实验结果。其中之一就是，实验中对光速的测量结果总是每秒30万公里（也就是时速18.6万英里）。因此，科学家们认为，因为地球是在围绕太阳运行，如果我们沿不同方向测量光的速度，将得到不同的结果。1895年，阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷进行了这个实验，但却出乎意料地未能发现光在不同方向的传播速度有任何的差异。对于这个现象，当时的人们无法根据他们当时的理论给予解释，直到1905年，阿尔伯特·爱因斯坦给予了准确的解释。他认为不同于车的速度，光的速度是恒定的，不会随观察者的移动而变化。换句话说，即使你跑得非常快，也无法追上光。爱因斯坦的狭义相对论中第一条定律就是光速是恒定的，完全不依赖于观测者及光源的速度。在接下来的几年里，爱因斯坦继续研究狭义相对论的细节。这时，他开始考虑怎样将牛顿的引力理论溶入到新理论中。

相对论对引力波的预言

爱因斯坦认识到，在地球上自由下落的人就像太空中的宇航员一样感觉不到地心引力的作用。而且在恒定加速上升的火箭中，人将感受到和坐在地球上的人相同的引力作用。爱因斯坦的广义相对论的基本假定是地球上的物体感受到的地心引力、远离大质量物体和恒定加速的物体所感受到的力是完全相同的。然而，既然两种力是相同的，那么物理学法则在两种情况下也就都是适用的。因此爱因斯坦发现这需要修改对引力的定义。但是引力到底该怎么定义呢？

爱因斯坦认为引力并不是牛顿所想的那样。他认为物体之所以会互相吸引是因为重的物体扭曲了时空，其它物体则选择了扭曲时空中的最短路径。爱因斯坦通过数学方法发现时空结构是弹性的，就像蹦床。如图1所示，所有的物体都躺在这个蹦床上，并使蹦床发生变形，称为时空畸变。时空畸变的大小与物体质量有关，质量越大变形越大。物质集中的地方是引力场“浓密”的地方，也是时空弯曲最大的地方，这种时空弯曲产生质量的吸引效应就是万有引力。由于时空弯曲，两点间的最短程线不再是直线，而是一条沿着引力场走向的曲线。这一现象已通过观测来自遥远恒星的光线而得到证实。如果一个巨大的物体正好位于地球与恒星之间，那么来自恒星的光线就会受到时空弯曲的影响，它的传播路径就会被扭曲而偏离一定的角度。这种效应还会形成一种有趣的引力透镜现象，它使远处的恒星变得更亮，有时还会形成双像。如果这个物体是一个黑洞，那么光线就会被吸到引力阱中再也出不来了。

探测

自从爱因斯坦预言宇宙中存在引力波以来，人们对引力波的探测就一直没有中断过。

引力波存在的最初证据来1975年普林斯顿大学的拉塞尔·赫斯和约瑟夫·泰勒发现的脉冲双星-PSR1913+16（也被称作PSRB1913+16）。这一系统由在一个密近的偏心轨道上旋近的两颗中子星构成，是首个被发现的脉冲双星，已被观测了三十多年。脉冲星是一个稳定的时钟，这使得人们能够运用非相对论的数据分析方法从脉冲信号的抵达时间推算出系统轨道的基本参量（如椭圆轨道半长轴的投影、偏心率等）。而从广义相对论导致的抵达时间变化能够推算出与相对论效应有关的参量（如近星点的进动角速率、引力红移等）。从这些参量可以进一步推算出双星系统的倾斜度、质量等（得到的两颗恒星质量都在1.4倍太阳质量左右）。引力辐射导致的系统动能损失表现为双星轨道的衰减，进一步表现为轨道运动周期的逐渐降低，理论计算得到的每秒钟内的周期变化为-2.40242±0.00002×10-12秒。这一理论预言和实验观测结果符合得相当好，而实验观测误差则低于1%。迄今为止，人类从引力辐射角度对爱因斯坦方程正确性的验证中，这个实验是精确度最高的。但是它只是间接证实的了引力波的存在。

2014年3月18日，美国物理学家宣布首次观测到宇宙原初引力波存在的证据。这一发现如获证实，将是物理学界里程碑式的重大成果。

美国哈佛-史密森天体物理学中心等机构物理学家利用架设在南极的BICEP2望远镜，观测宇宙大爆炸的“余烬”——微波背景辐射。微波背景辐射是由弥漫在宇宙空间中的微波背景光子形成的，计算表明，原初引力波作用到微波背景光子，会产生一种叫做B模式的特殊偏振模式，其他形式的扰动，都产生不了这种B模式偏振，因此B模式偏振成为原初引力波的“独特印记”。观测到B模式偏振即意味着引力波的存在。

南极是地球上观测微波背景辐射的最佳地点之一。研究人员在这里发现了比“预想中强烈得多”的B模式偏振信号，随后经过3年多分析，排除了其他可能的来源，确认它就是原初引力波导致的。研究共同作者、明尼苏达大学的克莱姆·普赖克说：“这就好像要在草堆里找一根针，结果我们找到了一根铁撬棍。”

2015年1月30日，仍然是这支美国科学家团队和欧洲空间局（ESA）普朗克卫星的科学家正式确认，2014年3月18日的发现乃是一个错误。

LIGO在2016年2月11日宣布“探测到引力波的存在”。

引力波的发现意义重大，从科学意义上看，引力波可以直接与宇宙大爆炸连接。广义相对论中预言的引力波也可以产生于宇宙大爆炸中，这就是说大爆炸之初的引力波在137亿年后的今天仍然可以探测到。一旦发现了宇宙大爆炸时期的引力波，就可以揭开宇宙的各种谜团，甚至了解宇宙的开端和运行机制。

2021年12月19日，“婴儿宇宙”新理论助力捕捉原初引力波。

意义

原初引力波的发现是证明宇宙大爆炸理论成立的首个确凿证据。

引力波奠定了标准宇宙学一项关键理论的坚实基础，这就是暴涨理论。该理论指出宇宙在诞生之初曾经经历了短暂的剧烈膨胀。

在暴涨阶段，宇宙的温度——也即其中粒子所含的能量，超过世界上任何实验室所能达到最高值的数万亿倍，甚至也超过了大型粒子加速器，如设在瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机(LHC)中的粒子能量。

由于暴涨是一种量子现象，而引力波是经典物理学的一部分，因此这一现象构建起了联系这两大领域的一座桥梁，也将成为首个证明引力也和其他自然力一样具有量子本质的证据。

对相对论的意义

爱因斯坦“广义相对论”实验验证的最后一块缺失的拼图被找到。

至此，在广义相对论提出第99年后，爱因斯坦基于广义相对论提出的最后一个预言也被实验证实。

对天文学的意义

广义相对论预言下的引力波来自于宇宙间带有强引力场的天文学或宇宙学波源，近半个世纪以来的天体物理学研究表明，引力辐射在天体系统中出现的场合非常丰富。这些可期待的波源包括银河系内的双星系统（白矮星、中子星或黑洞等致密星体组成的双星），河外星系内的超大质量黑洞的合并，脉冲星的自转，超新星的引力坍缩，大爆炸留下的背景辐射等等。引力波的观测意义不仅在于对广义相对论的直接验证，更在于它能够提供一个观测宇宙的新途径，就像观测天文学从可见光天文学扩展到全波段天文学那样极大扩展人类的视野。传统的观测天文学完全依靠对电磁辐射的探测，而引力波天文学的出现则标志着观测手段已经开始超越电磁相互作用的范畴，引力波观测将揭示关于恒星、星系以及宇宙更多前所未知的信息。

与基于电磁波观测的传统观测天文学不同，引力波天文学具有如下特点：

（1）引力波直接联系着波源整体的宏观运动，而非如电磁波那样来自单个原子或电子的运动的叠加，因此引力辐射所揭示的信息与电磁辐射观测到的完全不同。例如对一个双星系统观测到的引力波的偏振揭示了其双星轨道的倾斜度，这类关于波源运动的宏观信息通常无法从电磁辐射观测中取得。

（2）如果比较波长与波源尺寸的关系，宇宙间的引力波并不像电磁波那样波长比波源尺寸小很多，这使得引力波天文学通常不能像电磁波天文学那样对波源进行拍照成相，而是直接从波形分析波源的性质。

（3）大多数引力波源很难或根本无法通过电磁辐射直接观测到（例如黑洞），这个事实反过来也成立；考虑到一般认为宇宙间不发射任何电磁波的暗物质所占比例要远大于发射电磁波的已知物质，暗物质与外界的相互作用即是引力相互作用，引力波天文学对这些暗物质的观测具有重要意义。

（4）引力波与物质的相互作用非常弱，在传播途径中基本不会像电磁波那样容易发生衰减或散射，这意味着它们可以揭示一些宇宙角落深处的信息，例如宇宙诞生时形成的引力辐射仍然在宇宙间几乎无衰减地传播，这为直接观测大爆炸提供了仅有的可能。所以对引力波的探测和研究对我们了解宇宙是至关重要的。而且对引力波的研究很有可能会给我们带入“引力波天文学”时代。

新华网时评

美国物理学家17日（华盛顿时间）宣布首次观测到宇宙原初引力波存在的证据。

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。

爱因斯坦1916年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。过去近百年中，广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星的近日点进动以及引力红移效应都已获证实，唯有原初引力波因信号极其微弱，技术上很难测量，而一直徘徊在天文学家“视线”之外。剑桥大学博士、加拿大不列颠哥伦比亚大学的“CITA国家研究员”马寅哲认为，原初引力波的发现是支持广义相对论的又一有力证据，相对论所预言的所有实验现象全部被验证，实验与理论符合得都很好。

其次，这一发现打开了观测宇宙的一扇新窗户。

在天文学几百年来的发展过程中，人们观测宇宙的主要手段是观测光，也就是说几乎所有天文实验都是在收集光子。而根据标准宇宙大爆炸理论，大爆炸之后约40万年，光子、电子及其他粒子混在一起，宇宙处于晦暗的迷雾状态，光无法穿透。而引力波则不同，它诞生在宇宙大爆炸之初并以光速传播。从事引力波研究多年的美国亚利桑那州立大学理论物理学家劳伦斯·克劳斯认为，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的负35方秒的极早时期，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。

根据上世纪80年代逐渐发展起来的暴涨理论，140亿年前，在大爆炸之后不到10的负35方秒的时间里，宇宙以指数速度急剧膨胀，即所谓“暴涨过程”。原初引力波忠实记录了暴涨时期的物理过程。马寅哲告诉记者，关于大爆炸原初时刻的理论模型有数百个，但“到底哪个对，还是都不对，在今天之前是不清楚的。但如果（美国科学家的）结果是真的，那么很多理论模型会被排除”。

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。

宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸的“余烬”，是一种弥漫在整个宇宙空间中的微弱电磁波信号。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。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经费和人力资源投入。

马寅哲表示：“此项工作若获证实，当之无愧是诺贝尔奖

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