引力波如何解開的4大宇宙謎題？

2015年9月，物理學家們宣布，通過LIGO（雷射幹涉引力波天文臺）的探測儀器，他們終於觀測到了第一個引力波現象，證實了偉大的科學家愛因斯坦100年前的理論預測。這次引力波的來源十分地不可思議：兩個黑洞撞在一起，引起了宇宙的漣漪。

模擬顯示了兩個黑洞一起旋轉時來自兩個黑洞的引力波

首次發現引力波，除了解決了引力波是否存在的問題，還標誌著一個全新旅程的起點。在此之前，天文學家只能通過電磁輻射、宇宙射線和中微子等了解宇宙，引力波則為科學家研究宇宙提供了一個全新的抓手，開啟了多信使天文學的新篇章。

今天，引力波探測已變得日常化。圍繞著這種新的方法，研究人員們正在著力解決宇宙中的4個謎題。下面就讓我們一起看一下是哪4個謎題吧！

原初黑洞

近期，天文學家們聯合發布了第一張黑洞的照片，該黑洞位於M87星系的內部。照片一經發布，便立刻成為了話題熱點。黑洞是宇宙空間中體積極小但密度極大的天體，連光都不能逃脫其巨大的引力。一般情況下，大質量恆星在其自然生命周期結束時，燃料耗盡並向內坍縮，就會形成黑洞。

目前，研究人員發現的最古老的黑洞出現在130多億年前，即大爆炸後約6.9億年，然而它可能並不是宇宙中最早出現的黑洞，天文學家認為除了恆星黑洞，宇宙中還存在一種「原初黑洞」，它們是宇宙中的第一批黑洞，形成於大爆炸後不到1秒鐘的時間。由於宇宙早期局域空間的物質分布過於密集，導致物質直接坍塌而形成。

半個世紀以來，原初黑洞一直被認為是宇宙中最神秘的存在，天文學家很難利用電磁波探尋它，而有了引力波，科學家們就可以通過原初黑洞碰撞所產生的引力漣漪，尋找它們。

美國布朗大學的天體物理學家薩瓦斯·科什帕斯和哈佛大學的阿維·勒布正圍繞這一課題展開研究，為此，他們估算出了最早可能發生兩個恆星黑洞撞擊的時間——大爆炸後6700萬年。因為恆星黑洞不可能在恆星之前形成，因此，如果科學家探測到了這個時間點之前的引力波，就證明了原初黑洞的存在。同時，原初黑洞可以為我們認知宇宙提供許多重要的信息。例如，原初黑洞被公認為是暗物質的有效候選者。

額外維度

目前宇宙中有4個維度：長、寬、高和時間，符合愛因斯坦廣義相對論。然而，科學家們總是喜歡將物理元素統一到一個模型中。1926年，德國數學物理學家西奧多·卡魯扎在4維時空上再添加1個維度，也就是第5維，把愛因斯坦的相對論方程加以改寫，改寫後的方程可以把當時已知的兩種基本力即「電磁力」和「引力」很自然地統一在同一個方程中。理論中存在額外添加的維度統稱為「額外維度」。20世紀80年代提出的弦理論要求更高，試圖通過假設額外6個微小的、看不見的維度，將自然界的4種基本作用力和基本粒子放進一個物理模型。儘管弦理論還有待驗證，但是它已經在理論物理和數學領域取得了重要進展。

如果我們想要更加了解宇宙，尋找額外維度是十分重要的。歐洲核子研究中心的物理學家戴維·安德裡特及其同事認為：額外維度的證據就隱藏在引力波的波紋中，他們推測引力之所以是4大基本作用力中最弱的一種，是因為部分的引力逃逸到了其他的維度。

當引力波穿過時，會造成時空的收縮與拉伸。例如，時空中的一個圓會變成橢圓，在長直徑方向上被拉伸，同時在短直徑方向上就被壓縮。LIGO能夠觀察到引力波也是基於這個原理，由於引力波造成了時空的拉伸和壓縮，從同一點向空間的兩個方向出發並反射回來的光，本應走過相同路程，但因時空的拉伸和壓縮，出現了幹涉現象。

不過，安德裡特提出：如果額外維度存在，那麼引力波應該以一種被稱為「呼吸」的模式使空間變形，即空間表現得像呼吸時的肺部一樣，多個方向同時膨脹或收縮（程度不一定相同）。這對引力波探測器提出了更高的精度要求。

目前，除了LIGO以外，歐洲的「處女座」引力波探測儀也在運行當中。而且日本神岡引力波探測儀也將於2019年底投入使用。屆時，如果研究人員發現這種模式，那麼或許宇宙有額外的維度，又或者引力的行為方式與我們認為的不一樣，無論哪一種都將重新定義物理學。

黑洞火牆

黑洞最著名的特徵之一就是視界，即黑洞的邊界，它在宇宙中看不見、摸不著。如果任何物質不小心跌入其中，便沒有任何逃脫的可能。然而，1974年，著名的物理學家史蒂芬·霍金提出，黑洞的生命也是有限的，它會在質量減少的同時，向外輻射能量，並最終消失，這就是著名的霍金輻射理論。

一個問題可能會縈繞著我們，既然任何物質都逃脫不了黑洞，它又是怎麼向外輻射的呢？在解釋該問題的時候，霍金引入了量子理論。在量子力學中，真空並不是空的，粒子和反粒子對不斷在真空中隨機產生，又相互湮滅，然後消失。如果這對粒子剛好在視界處出現，那麼就有可能一個粒子在視界內，掉入黑洞，而另一個粒子幸運地位於邊界外，逃向宇宙。那些「逃出」黑洞的粒子就形成了霍金輻射。

自從霍金輻射提出以後，黑洞物理學的研究領域便開始湧現出一大批有趣的理論，其中一個便是「黑洞火牆」理論。該理論認為，在黑洞視界周圍，存在著一個由「霍金輻射」粒子形成的火牆，這個能量巨大的火牆會將任何穿過它的物質燒成灰燼。儘管黑洞火牆理論還存在爭議，但是引力波也許可以告訴我們這個視界之外的火牆到底存不存在。

兩個黑洞合併會發出巨大的漣漪，並向外傳播。如果黑洞火牆確實存在的話，引力波就會有「回聲」。就像是撞擊鐘發出的聲音一樣，當黑洞合併發出的引力波遇到其他物體反彈回來時，如果黑洞只有視界，那麼它就不會產生回聲，反之，這部分波將被火牆反彈，最終以更微弱的信號到達LIGO。

加拿大圓周理論物理學研究所的物理學家尼亞什·艾弗士蒂就在LIGO前三次探測到的綜合數據中，發現了這種回聲的跡象。儘管回聲的證據並不能完全保證黑洞外存在火牆，但是仍會讓我們對視界及其附近有一個新的認識。目前，艾弗士蒂和他的同事正在改進策略，以更好地識別「回聲」。

蟲洞

蟲洞經常出現在各種科幻小說中，它是一種宇宙中的捷徑，就像一個超級方便的隧道，可以連接宇宙中兩個不同的區域，或者兩個平行的宇宙。在物理學中，蟲洞被稱為愛因斯坦·羅森橋，取自物理學家愛因斯坦和另一位物理學家內森·羅森的名字。1935年，倆人根據廣義相對論一起想出了蟲洞存在的可能性。

與其他宇宙的謎題一樣，引力波也許能幫助我們發現這種時空隧道是否有科學依據。一些理論物理學家提出，一些我們認為是黑洞的天體，實際上，很可能是蟲洞。

歐洲核子研究委員會的維託爾·卡多佐及其同事在2016年發表的一篇論文中稱：與黑洞一樣大小並且無視界存在的蟲洞，可能會發出引力波「回聲」。由於視界是一個「有去無回」的邊界，當兩個黑洞碰撞，進入黑洞視界的引力波漣漪並不會被反射回來。但如果兩個蟲洞碰撞，結果就完全不一樣了。因為蟲洞沒有視界，而是像兩端開放的隧道，或者說是「井」。進入「井」裡振蕩的波紋不會被吸收消失，而是會產生一系列的回聲。

儘管黑洞和蟲洞看起來可能不同，但是它們本質上是愛因斯坦引力方程的不同解，所以它們可能具有相似的引力特徵也不足為奇。不過，當天文學家在引力波中找到確定回聲的時候，將很難分辨產生回聲的到底是黑洞火牆還是蟲洞。