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发现引力波:人类听到了宇宙初创时的脉搏

2014-03-19
引力波,宇宙初创
发现引力波:人类听到了宇宙初创时的脉搏
2014-03-19 15:57:48 来源: 福布斯中文网(上海)

一个科学家团队在南极利用望远镜发现了由爱因斯坦预言但从未被观测到的引力波。

被物理学家称为“惊人”以及“比希格斯玻色子还重要”的这一发现提供了到目前为止最为有力的证据,证明了在138亿年前的大爆炸之后,宇宙经历了一段时间极短(大约10-35秒到10-33秒——译注)的迅速暴涨。

“除了在其他星球上发现生命或者直接检测暗物质之外,我想不出天体物理学近期内在提高我们对宇宙的认识方面有其他任何更加重要的发现,”加州理工学院理论物理学家肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)在他的博客上如是说。

麻省理工学院物理学家马克斯·泰格马克(Max Tegmark)写道:“不久这将会引出至少一个诺贝尔奖。”

亚利桑那州立大学物理学家劳伦斯·克劳斯(Lawrence Krauss)说:“这些成果让我们不仅能够解决诸多物理问题,而且可以把以前诸多形而上的问题转化为科学问题,比如 为什么会有什么而不是什么都没有'。”

根据在美国阿蒙森—斯科特南极科学考察站(Amundsen-Scott Station)利用Bicep2(宇宙超星系偏振背景图像2)望远镜的观察结果所得出的这个发现已经被保密了3年,与此同时研究人员对此进行费力核查,以确保他们所看到的现象没有任何其他的解释。

由哈佛-史密森尼天体物理学中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics,以下简称CfA)的约翰·科瓦克(John Kovac)及其同事找到的这个证据很不易发现,与万物起源遗留下来的微波辐射相比略有变形。

引力波是爱因斯坦认为牛顿的“超距力”实际上是时空四维结构发生的一种扭曲这个理论的一个推论。如果四维时空这个连续体可能被扭曲的话,那么施加足够的能量,就可以让那些扭曲移动。

与此同时,麻省理工学院的阿兰·古斯(Alan Guth,他参加了CfA的新闻发布会)在1979年提出了宇宙暴涨理论,这个理论解释了为什么宇宙依其年龄来看显得更大的原因。古斯推论,当宇宙经历一轮相位变化时——类似于液体成为固体的变化,它释放了巨大的能量,足以导致整个宇宙在不到单个质子的大小的时候,在极短的瞬间内以超光速暴涨。

暴涨理论还解释了为什么宇宙从每个方向来看都一样的原因,因为这个暴涨过程消除了宇宙空间的波纹和不规则现象。

泰格马克说,此外,这项发现还意味着首次检测到霍金辐射(Hawking radiation,即产生引力波的过程),而且也是量子引力(一个广义相对论与量子力学相结合的假设)的第一个实验证据。

此项最新研究还建立在另一个著名科学成就的基础上,那就是新泽西州贝尔实验室的阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·伍德罗·威尔逊(Robert Woodrow Wilson)于1964年发现的宇宙背景辐射(Cosmic Background Radiation,简称CBR)。

这是宇宙中最古老的光线,其历史可以追溯到微波可以穿透宇宙的时候,也就是在宇宙大爆炸的40万年之后——即宇宙膨胀结束很久之后。然而,如果宇宙暴涨的力量足够强大的话,那么它会导致引力波在整个宇宙回荡。

宇宙背景辐射原本已经开始在每个方向上辐射(就像阳光那样),但引力波使之发生偏振。而Bicep2检测到的就是这个偏振现象。这绝不是不可避免的。一些理论认为这种偏振现象非常微弱而无法探测到。

古斯说:“看到它们出现真是好极了。”

根据偏振现象能够计算出引力波,而科学家由此能够计算宇宙相位变化。这些成果表明,检测到的暴涨现象来自于宇宙大统一(Grand Unification)的分裂过程中,那时电磁、强核力和弱核力彼此相互分离。

这一发现还必须得到其他独立研究人员的证实。

译 陈玮 校 徐笑音




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