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科学家探听到宇宙大爆炸余响

浏览次数:1730      日期:2014-03-27

科学家探听到宇宙大爆炸余响
广义相对论中的引力波真的存在
 

    美国哈佛-史密森天体物理中心的科学家17日宣布,他们发现了原初引力波穿越婴儿宇宙留下的印记,这是宇宙刚刚诞生时急剧膨胀的首个直接证据。这一突破性的重大发现有望帮助弄清宇宙诞生之谜。这次新发现也意味着广义相对论的胜利。

    科学界目前普遍认为,宇宙诞生于距今约140亿年前的一次“大爆炸”。在大爆炸之后不到1秒钟的原初时刻,宇宙曾在极短时间内经历了速度快到无法想象的急剧膨胀,这一过程称为“暴涨”。为验证暴涨理论,研究人员利用位于南极的BICEP2望远镜,对宇宙大爆炸的“余烬”——微波背景辐射进行观测。微波背景辐射如同埋藏在宇宙深处的“化石”,记录着早期宇宙的许多信息。其中的微波因为被原子和电子散射而具有偏振性,新研究寻找的是一种叫做B模式的特殊偏振模式,其特点是会形成漩涡,是宇宙极早期的一种时空波动——原初引力波留下的独特印记。

    研究人员说,他们意外发现了比“预想的强烈得多”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,确认它就是暴涨期间原初引力波穿越宇宙导致的。这意味着宇宙暴涨理论获得迄今最有力的证据,并将帮助人们更详细地了解暴涨的过程。

    引力波被发现了 三体人还会远么

    刘慈欣的国内著名硬科幻作品《三体》系列另一个名字是“地球往事”,在不越出主流科学的雷池基础上对引力波存在进行了论证和运用。

    在《三体II》的结尾处,地球上出现了反重力的引力波天线(《三体II》p468)。引力波天线通过极高质量密度的长弦的振动发送坐标,形成类似星际通讯的一种“广播”。这种广播会暴露发射星球的星际坐标,从而引来其他宇宙文明的注意。《三体III》结尾,身处异地的地球“万有引力”号发射的引力波广播,暴露了地球文明的坐标,说明地球文明已经掌握了大范围星际通讯手段,宇宙其他文明(三体人)据此做出清理决定,将太阳系二维化从而导致地球毁灭。

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    证明宇宙是怎么诞生的

    溯源  百年历史悬案

    1916年,爱因斯坦在发表广义相对论中提出了原初引力波的存在。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“余响”,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,一直徘徊在天文学家“视线”之外。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”。

    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。

    发现  南极成最佳观测点

    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”。

    意义  填补广义相对论空白

    对这项发现的意义,哈佛-史密森天体物理学中心的理论物理学家阿维·洛布说:“这项工作为一些最基本的问题提供了新见解:我们为什么会存在?宇宙是怎么诞生的?这些结果不仅是宇宙暴涨的确凿证据,它们也告诉我们暴涨是什么时候发生的,暴涨的威力又有多大。”

    过去十多年中,有多个研究项目在探测原初引力波,包括普朗克卫星、POLARBEAR地面实验,及位于南极的另一个“南极望远镜”实验等,其中普朗克卫星是欧洲航天局于2009年5月发射、造价约7亿欧元的全天域微波背景辐射观测望远镜。新发现不仅填补了广义相对论实验验证中最后一块缺失的拼图,让现代物理学的根基更加坚实,也会鼓舞引力波研究人员的士气,促进有关国家进一步加大投入。

    美国亚利桑那州立大学理论物理学家劳伦斯·克劳斯在接受新华社记者采访时说,虽然这项成果还需要得到进一步验证,但“无论怎样,都令人激动”。如被证实,将“可以跻身过去25年最重要的宇宙学发现之列”,有望获得诺贝尔奖。

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    广义相对论

    4大重要预言

    爱因斯坦的广义相对论预言的一种以光速传播的时空波动

    上世纪六十年代,科学家采用穆斯堡尔效应的实验方法,定量验证了引力红移

    爱因斯坦解出水星一百年的进动为43,是广义相对论最早的三大验证之一

    作为推论,美国天文学家证实整个宇宙类似巨大的放大镜,光线可弯曲

    引力波

    引力红移效应

    水星的近日点进动

    光线的弯曲

    宇宙大爆炸过程示意

    起始

    时间产生

    10-43秒

    宇宙膨胀的起点

    在发生爆炸后10-43秒的时间内,宇宙从一个原子的大小膨胀为一颗葡萄的大小

    10-32秒

    温度1027℃

    暴涨期

    在“暴涨”期内,宇宙变大了1050倍,在这期间,突然的暴涨会在时空结构内产生出涟漪,这就叫“引力波”,像声波一样在时空连续体中传播。引力波拉伸和挤压时空,留下了它们特有的偏振模式。

    引力波不可见,但可被检测到它们对光线的影响,其中的特殊极化模式,就是此次南极BICEP2望远镜发现的B模式极化,这成为引力波存在的明确证据。

    普通偏振模式

    引力波产生的偏振模式

    3分钟

    温度108℃

    极速降温期

    宇宙是一团巨热的浓雾

    30万年

    温度10000℃

    原子形成,宇宙终于能闪耀出光线

    10亿年

    温度-200℃

    云层形成,诞生最初的星系

    15亿年

    温度-270℃

    最初的星系消失,散开的物质组成了新的星系与星球

    138.2亿年

    现在

    人类仍在探测宇宙的边界

    本组稿件据新华社

    本版制图 职文胜 陈昌