原初引力波有多么重要的意义存在？
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发布时间：2022-04-22 14:57
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时间：2022-07-12 00:51
【一】
中文报道里用到一个词——“原始”。这个词的英文是“primordial”，宇宙学中一般译为“原初”。
“原初”在宇宙学中一般是泛指“复合之前”这个阶段。宇宙在大约38万年的时候，随着温度的降低，自由质子和电子重新结合成中性原子——所谓“复合”。此时，等离子体的雾霾散去，宇宙变得透明，光可以畅行无阻。于是这些光，经过137亿年的征程，进入我们的“眼睛”，即是所谓“宇宙微波背景辐射”——婴儿宇宙38万岁时的照片。
“宇宙微波背景辐射”在19年就被贝尔实验室的Penzias和Wilson发现了，并为二人带来了1978年的Nobel物理学奖。
【二】
在早期宇宙研究中，“原初”更进一步特指“宇宙学暴涨”——宇宙极早期经历的急剧加速膨胀过程——时期。
最初，“暴涨”理论的提出，是为了解决旧的“大爆炸”理论的几个困惑，比如：
今天的宇宙空间为何看上去如此平坦？宇宙这么大，各个地方离得那么远，却为何看上去都差不多？而“暴涨”理论非常优雅地解决了这两个疑难：急剧的加速膨胀——就像吹气球一样——把所有可能的不均匀和不平坦都抹除、拉平了。今天的宇宙最初是一块很小的区域，是“暴涨”把它们拉开的；所以各部分离得这么远、却看上去差不多，因为它们曾经在一起。
【三】
但一个问题是，既然暴涨把所有的不均匀性都抹平了，那宇宙应该空无一物、极度乏味，可为何宇宙还确实存在“结构”——星系、超星系、超星系团等等？
就像大海一样，远观像镜面一样平静，近观却波涛汹涌，真实的空间中也无时无刻不存在随机的“量子涨落”。但是通常情况下，这些“涨落”却随起随灭，如同电视机无信号时的雪花点，吵吵半天，仍然是灰白一片，什么也没留下。
但是“暴涨”却提供了一种“冻结”机制。就像海面的波涛，一旦涌起，就赶紧“冻”住。于是最终海面就不再是随机的翻涌，而是如同连绵的冰山一样，有了特定的“结构”。同样，空间中的“量子涨落”，产生于虚空，但是被暴涨所“冻结”，形成一粒粒的真实的“尘埃”——今天宇宙结构的“种子”。
而这种“冻结”机制的存在，也正是因为宇宙的“加速膨胀”——暴涨“一箭双雕”地解决了旧大爆炸的困难，同时产生了宇宙的结构。也正是因为后者，暴涨才成为今天早期宇宙研究的基础。
暴涨把产生于虚空的随机量子涨落冻结成实在，就像把随手画的钞票兑换成真金白银一样。于是暴涨的发明者Alan Guth喜欢说，宇宙就是一场免费午餐。
【四】
回到引力波。
通常的“结构”——星系、超星系、超星系团，是宇宙空间中质量“密度”的起伏。密度是空间的“标量场”，而引力波——却是空间的“张量场”波动。
于是，一个更确切的说法是，空间中无处不在的“张量场”的随机涨落，在暴涨过程中被“冻结”，同时被暴涨拉伸到宇宙的尺度，形成原初引力波背景。
这些“张量场”的随机涨落一直都在，其本身并不是暴涨（或是大爆炸）产生的。就在今天，此时此刻，我们周围，仍然无时无处不存在张量场（包括其他各种场）的随机涨落。今天的这些随机涨落，对于我们只是“噪声”，甚至我们都无法察觉其存在。但是在暴涨时期，这些随机涨落被“冻结”，形成了固定的背景起伏。
【五】
描述经典电磁场的Maxwell理论预言了电磁波——以光速传播的电场和磁场的振动——的存在；描述经典引力场的Einstein广义相对论也预言了引力波——以光速传播的引力场的振动——的存在。
电磁场的“荷”即是“电荷”，电磁波可以通过天线产生震荡电流，从而被探测到。引力场的“荷”即是“质量”。原则上，当一束引力波通过，我们也会看到物体被拉伸、压缩、扭曲。这也是引力波真正意义上的直接探测。但是，引力实在是太弱了。电磁波早在1887年即被Hertz证实，在今天的生活中也已无处不在。但是引力波，在从广义相对论发明至今的近一百年里，却一直没有被直接探测到。
1974年，Hulse和Taylor发现了第一颗射电脉冲双星PSR 1913+16。这个双星系统轨道周期的变化与引力波辐射损耗的预言相吻合，从而间接证明了引力波的存在。二人也因此获得1993年的Nobel物理学奖。
【六】
宇宙微波背景——宇宙38万岁时的照片，却记录了原初引力波的踪迹。
这张38万岁的照片，从某种意义上来说，类似一张3D照片。因为它同时记录了光的两种偏振，就像观看3D电影一样，我们可以带上3D眼镜，使一只眼睛分别只看到一种偏振。
光的偏振在宇宙微波背景上的“分布”，也有两种模式。一种叫“E模式”——因为其看起来“像”电场，而中学物理书里电场通常用E表示；一种叫“B模式”——因为其是“螺旋”状的，看起来“像”磁场，而磁场用B表示。
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时间：2022-07-12 00:51
我不是研究宇宙学的，所以具体的还要等宇宙学家来回答。我只能说一点我知道的。
我们的标准宇宙学认为宇宙起源于一次大爆炸，所有的东西都在这个爆炸之后相互远离。所以哈勃在上世纪20年代发现了星系之间相互远离，远离的速度正比于距离。这个是大爆炸的后遗症。
但是这里面存在一个还没能解决的问题，就是因果关系问题。如果宇宙中的两个点需要发生作用、有了关联，那么一定是一个点作为原因，另一个点作为这个作用的结果，因果信息从一个点传递到另一个点，这个关联就建立了，这叫做因果关系。因果关系的建立是需要时间的，这个速度最大就是光速。我们又知道，宇宙今天的年龄大约是137亿年了，那么我们就可以用137亿年乘上光速，我们就可以知道一个最大的距离，只有在这个距离以内的两个点，才来得及在宇宙诞生之后发生因果关系。超过这个距离的点来不及发生因果关系。
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时间：2022-07-12 00:52
爱因斯坦在开始着手发展相对论开始，在试图就对天体力学中最著名的异常之一的水星近日点进动尝试进行解释。牛顿的万有引力定律要求行星是在闭合的椭圆轨道内绕日运动，这也是被牛顿解释过的二体问题，并运用到了考虑行星彼此之间的引力相互作用的摄动理论。这些摄动影响了行星理想的椭圆运动，并引起了椭圆的进动。可以说，行星的轨道从来都不是闭合的，爱因斯坦在这方面进行了计算和求解。随着物理学的发展，这种计算逐渐被更加完整和复杂的工作替代，但是大多物理学家仍然相信早期的计算虽然很粗糙但是依然正确。最有力的证明便是爱因斯坦有关水星近日点反常进动的计算已经被天文观测所证实。
