时空的涟漪——引力波，探索宇宙存在之谜的利器

第一个甲马俳

地球、太阳系、宇宙，这一切的一切都是从何而来？



宇宙由于膨胀从微观尺度延展成宏观尺度，这使得其中的能量被转化成为了物质。但是这也令宇宙中产生了与这些物质等量的反物质。这种现象的原因目前尚不清楚，不过作者们探讨出来了一种理论，即膨胀后发生的相变导致产生的物质比反物质多了一点点。此外，相变还创造了一种能在时空中产生轻微的涟漪的宇宙弦，这种宇宙弦被称为引力波
（图片来源：© R. Hurt/Caltech-JPL, NASA, and ESA Credit: Kavli IPMU – Kavli IPMU modified this figure based on the image credited by R.Hurt/Caltech-JPL, NASA, and ESA）



一项新的研究可能有助于回答有关宇宙的这个问题：为什么宇宙中的物质比反物质多？相应的，这个答案也能够解释：一切物质小至原子大到黑洞都能存在的原因。



亿万年前，那时的宇宙刚刚发生大爆炸不久。宇宙的快速膨胀撕扯着当时尚且微小的宇宙种子，并把能量转化为物质。物理学家们认为，膨胀最初产生了等量的物质和反物质，它们在接触时相互湮灭。但是不久之后发生了一些事情，使得情形开始向着有利于物质的方向发展。这以改变使得如今一切我们能够看得到摸得着的事物都得已存在。一项新的研究表明，对出现这种情况的解释隐藏于时空微小的波动之中。






兼任加州大学伯克利分校的研究员和劳伦斯伯克利国家实验室物理研究员的Jeff Dror认为：“如果从物质和反物质之间相同的成分入手研究，那么有可能将一无所获。因为物质和反物质的电荷相等电性相反，这使得一切都将会湮灭。”
（劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory），美国最杰出的国家实验室之一，位于旧金山湾区东北部。劳伦斯实验室隶属美国能源部，具体由加州大学负责运行；实验室前身是“加州大学辐射实验室”，而后为了纪念著名实验物理学家欧内斯特·劳伦斯而更名为劳伦斯伯克利国家实验室。）
很显然，世界上的一切都还存在，只不过研究人员一直对这个事实感到困惑。其成因可能涉及到一种非常奇怪的基本粒子：中微子。这种粒子不携带电荷，这个特性使得它既可以视为物质也可以视为反物质。



有一种观点认为，在大爆炸大约100万年之后，一件类似于沸水汽化的事情发生了：宇宙冷却了下来并发生了一次相变。对于该观点Jeff Dror解释说：“这种相位变化促使衰变的中微子产生的物质比反物质多出了极少的一点点，只不过几乎没有办法去证明这个理论是否正确。”
不过Dror和他的团队通过理论模型和计算，找到了一种可以帮助我们间接观测到这种相变的方法。他们认为这一变化将创造出一种被称为“宇宙弦”的细长能量线，而这种能量线遍及整个宇宙。Dror他们意识到，这些宇宙弦很可能会在时空中产生非常轻微的涟漪（也就是引力波）。通过探测这些引力波，我们就能验证这个理论正确与否。



NASA称，宇宙中最强的引力波一般发生在以下几种情况：超新星或恒星爆炸、两颗大恒星相互环绕运动以及两个黑洞合并。但是由宇宙弦引起的引力波和前面几种情况有所不同，它的强度要比我们的仪器已经探测到的都要小。
令人振奋的是，当研究小组在不同的温度条件下模拟这种假想的相变时，他们得到了一个令人鼓舞的结论：在所有情况下，宇宙弦都会产生引力波。意味着这些引力波有可能在以后的观测中被发现。
亚利桑那州立大学（Arizona State University）的理论物理学家坦梅.瓦查斯帕蒂（Tanmay Vachaspati）在接受《现场科学》（Live Science）采访时说：“如果这些弦在足够高的能量尺度下产生，它们确实会产生引力波，这些引力波可以由计划中的观测站探测到。” 有相关的观测计划的天文台包括美国宇航局的激光干涉太空天线（LISA）、欧洲航天局的大爆炸观测站（Big Bang Observator）和日本宇航勘探局的分赫兹干涉重力波观测站（DECIGO）。