让引力波来解谜

2019-04-02思源

科学之谜 2019年12期

关键词：火墙引力波视界

思源

模拟显示了两个黑洞一起旋转时来自两个黑洞的引力波

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。

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！

世界各地的引力波探测器

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。照片一經发布，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。

额外的维度是什么样子的？

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。

宇宙从大爆炸至今的时间线

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”。就像是撞擊钟发出的声音一样，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。