引力波研究意义有多大? 引力波的探测发现获得证实会造成什么影响?

美国科学家宣布引力波重大发现,当地时间3月17日于哈佛大学史密森天体物理中心,科学家们宣布利用一架设在南极,名为“BICEP”的望远镜探测到了引力波现象。
http://tech.sina.com.cn/d/2014-03-18/01139248537.shtml

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13个答案
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章鱼喵.时见疏星理论物理专业,西夏文爱好者

2014-03-17 19:15

首先,我们这里探测引力波的方法是用的微波背景辐射,新闻中说了,大家是在找 B mode。管他什么 B mode,背景辐射的,你们这帮无聊的物理学家找引力波干嘛?

话说,插一句可以么,B mode 是大家基本上认为一定会找到的,所以找到也符合预期。只是…… 下面这张微博的截图,怎么有一种忧伤的感觉。

Planck 可是女神……


## 先来段视频行么


点击访问视频


## 研究 CMB 中的引力波干嘛


我在 宇宙中中微子数量估计的回答里面(1.1)提到了引力波用来探测极早期宇宙,以及为什么。

总结起来就是,宇宙在某个时期( photon electron decoupling) 之前是不透明的,所以我们通过光是不能探测更早的宇宙的,同样,如果在 中微子跟其他东西解耦之前的事情,我们也不能通过中微子的探测获得。而引力波,可以让我们回溯到更早期的宇宙,因为引力波更加弱,解耦更早。当然,发生在引力波跟其他物质解耦之前的事情,我们也没法通过引力波探测知道。

但是,引力波有个问题,就是它跟任何东西都有相互作用,甚至跟引力也有相互作用,所以即便我们探测到了引力波,那也是已经经过来很多事情的,要想通过 CMB 中探测到的引力波来了解早期宇宙,需要高精度的对 B mode 的了解,以及很复杂的理论计算。

通过引力波,我们可以探测宇宙诞生之后 10^{-22} 秒发生的事情。这个时候正好是大统一理论里面解耦,引力相互作用从其他的相互作用里面拆解出来。

有几个不同的理论都预言了宇宙原初的引力波,还算出名的一个是认为宇宙早期相变。但是最最出名的,还是 Alan Guth 的 Inflation 理论。(咦?我说王晋康了么?)

原初的引力波,是 Inflation 理论的一个预言,如果真的在 CMB 中发现了 B mode,可以很大程度上验证 Inflation 的正确性。先来看张截图:


## Inflation (暴涨)

Alan Guth 首先提出来的 Inflation,用于解释我们看待从的宇宙模型的几个奇怪的现象的。

我们的宇宙模型有什么奇怪现象啊?标准的宇宙学模型成功预言了 CMB 谱,经过多年努力,大家看到的是这个:

这张图上就是整个天空了,形状变了,但是天空的点可以一一对应到这张图上来。我们的发现时,天空上各处,CMB 的温度基本相同。这张麻麻的图上面的起伏,只是非常非常小的温度涨落(10^{-5})。

如果我们跟着这些光子回到过去,那么我们会发现,在这些光子变得自由之前,天空上的各个点之间距离非常远,甚至光都不可能把不同的区域联系起来。那么问题是,为什么我们看到的天空上的这些光子差不多都一样的呢?

Alan 和他的同伴的建议是,在宇宙极早期,有一个暴涨的过程,这个过程是的原来一个非常小的区域(充分的混合,充分的热平衡)极快的变成了我们现在能看到的整个天空的区域。这样就可以解释为什么我们看到的天空上的各点的 CMB 温度如此相同了。


Inflation 解决的问题不止这一个。在其他的几个问题中,可能跟很多人理解不同的是,Inflation 不仅仅抹平了宇宙的经典涨落,它还是我们现在看到的宇宙的微弱的不均匀性的起源。这个是量子的问题,Inflation 实际上放大了原来非常非常小的量子涨落,是的量子的效应在宏观上体现出来。

正是这种扰动,产生了引力波,即时空扰动。这个过程在宏观看来是非常随机的,所以产生的引力波像是白噪声。这样就是的我们的理论能够计算之后引力波跟其他物质微弱的相互作用会有什么结果,比如跟电子光子组成的那对“粘稠”的东西的扰动,产生 B mode (和 E mode 当然了)。然后光子携带这个信息,撞死在了我们的探测器上。


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等等,这都是在说什么啊。什么是 B mode?什么是背景辐射?为了补全回答,我在下面回答这样几个问题:

1. 什么是微波背景辐射?
2. 什么是 B mode?
3. 什么是引力波?
4. 为什么可以通过 B mode 来探测引力波?


## 什么是背景辐射

在这里:
什么是背景辐射


下面我们说的(主要)是发生在一百多亿年前的事情。那时候宇宙中的电子和光子还密切的联系,宇宙也不像现在这么空虚。

## 什么是 B Mode


嗯,如果不用公式,这个说起来有点头疼。B mode 是由四极子产生的。那么四极子是什么?

偶极子,就是说原来各个方向都相同来着,有偶极子导致有一个方向变得跟其他不一样了。

四极子,除了会出现一个更加复杂的极化形式。实际上,非常像流体中的极化。

[图片来源](http://www.chinabaike.com/article/baike/wli/2008/200801101127838.html )

作为一个对背景辐射的理解,我们可以把上面的图片中源运动一列中的图片中的 + 看成温度高的区域,- 看成温度低的区域。

为了说明白背景辐射里面的极化是怎么来的,我们先从 Thomson 散射说起。

[以下关于 Thomson 散射的图片出处](http://background.uchicago.edu/~whu/intermediate/Polarization/polar1.html )


这个图中,那个十字架是光的两个方向的电场(十字架两条一样粗,说明这个光是各个方向都一样的,自然光),绿色的是个被限制在了一个平面内的电子。既然被限制在了一个平面内,当光过来的时候,电子只能在电场在电子运动平面内的光子的作用下运动,然后重新辐射出这个偏振方向的光子。这样一来,原来是自然光,现在变成了偏振光。



在背景辐射的情境中,跟上面的图像是很相似的。因为我们的视线方向的振动等价的被锁定了,所以上图实质上跟第一个图是很像的,会产生偏振。

但是,实际上这个电子周围都是光子,那么实际上应该是这样的


这样出来的光是没有极化的。

要产生极化的光,最简单的情况也应该是这样


这样出来的光就会有两个方向的差异了。

上面我们提到了把那种流体的图中的 + 看成温度高的区域,提供了上图中蓝色代表的光子,- 表示温度低的区域,提供了上图中红色代表的那些光子。

那么什么是 B mode 呢?在物理中,有组非常强大基矢,就是球谐函数(其实是 spin weighted 但是别管了),这组基矢跟我们用的坐标 x,y,z 很像,不同的是,用他们来写出球面上的坐标会非常方便。然后我们可以用这组基矢展开上面的极化,这样就可以得到两类完全不同的东西(尤其是 parity 不同)。

这两类有什么不同呢?我们把它们画到图上:


左边的叫做 E mode,右边的叫做 B mode. 在右边你看到了什么?看到了涡旋,那为什么叫做 B mode?因为静磁场 B 是有涡旋的。所以这个 mode 很像是磁场,所以叫做 B mode 了。

我们来看看 Harvard 那边发现了什么:


[图片来源](http://news.discovery.com/space/astronomy/big-bang-inflation-gravitational-waves-what-it-all-means-140317.htm)

啊,涡旋。


## 引力波以及为什么 B mode 对应引力波

按照 Einstein 的广义相对论的观点,引力波是时空的扰动。这个扰动可以导致一些很奇怪的 pattern 出现,其中就包括上面的 B mode,B mode 是一个张量扰动,电磁场的自由度不够用,不可能产生这样的扰动,所以说,只要发现了 B mode,我们能想到的,就是引力波了。

本身极化的观测就比较难,因为极化比较弱,而且探测的时候是个二级效应,所以探测比较麻烦。B mode 又比 E mode 弱,这样使得 B mode 的观测就更难了。



到此,一个公式也没用…… (图片中的公式?我们真的没用到啊。)

## References

1. http://background.uchicago.edu/~whu/beginners/introduction.html 这是 CMB 最好的教程了
2. http://www.chinabaike.com/article/baike/wli/2008/200801101127838.html 用了他们一张图片,致谢。
3. http://www.preposterousuniverse.com/blog/2014/03/16/gravitational-waves-in-the-cosmic-microwave-background/
4. BICEP2 的官方网站:http://bicepkeck.org/ 里面有两篇刚刚放出来的论文。
5. astrobite 也出了科普文了:http://astrobites.org/2014/03/17/bicep2-results-inflation-and-the-tensor-modes/

# License


(也想使用这个 License ,看看我们的开源仓库:opentf )

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Stavros_BH1QQN化学本科,物理学博士,业余电子工程师

2014-03-17 15:02

意义当然非常重大了,最直接的、链接里的文章的意思就是说,可以看到宇宙更早期的信息。

我们知道宇宙大爆炸之后一开始是非常高热致密的状态,之后温度逐渐下降——在温度降到一定程度,大约几千度的量级之前,宇宙是不透明的,因为光子会被物质吸收再发射。在这之后光子才可以在整个宇宙的范围内自由行动,或者叫做光子与物质解耦合。微波背景辐射是大爆炸的残余辐射,也就是说,对微波背景辐射的观测最多只能得到在那个时刻之后的信息,在那之前的就必须靠引力波来观测了。

推广来说那就多了,见这个链接 http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%BC%95%E5%8A%9B%E6%B3%A2%E5%A4%A9%E6%96%87%E5%AD%A6

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lyounger粒子天体物理博士生

2014-03-17 18:32

我看到的消息是,也不是引力波的直接探测,和双中子星辐射引力波一样,都属于间接证据;主要的意义是可以佐证“暴胀”,等进一步的消息吧

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卢瑟傅里叶想要改变世界,上帝没给我源代码

2014-03-18 09:05

必须重要啊,没有引力波怎么建立黑暗森林威慑?

好吧,我觉得是不是和大一统理论有关?有了引力波,引力和电磁力就更像了。

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赖赖毛懒懒的药剂师

2014-03-18 09:32

普朗克爆发一波
有希望分享炸药奖的吧

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在爱因斯坦的时候就有人提出引力波

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照这样 第四个图是不是错了!两个光和在一起的时候 应该是蓝色是横着的红色是竖着的

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必须掌握引力波通讯技术啊,光速还是太慢了。当然现在的光速传播速度够用了

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可以通过太阳向全宇宙广播地球坐标啊!【你特么是哪里来的

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飞虫捣浆糊博士导师,天文爱好者!

2014-03-18 08:57

看了一知半解啊,物理就是天书之一。

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刚读完《三体》三部,认识还是很感性很初步呐。

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对于引力波的研究,在现在看来是没有意义的!
即使是引力波的探测发现获得证实,也不能给宇宙的过去和将来带来积极意义。

我们都知道,宇宙的“宇”是一个空间,宇宙的“宙”是一个时间。我们现今所说的宇宙,是指无限的空间和无限的时间,更偏向于单单指代无限的空间。

如果宇宙是一个无限的,空旷的空间的话,则说明宇宙自身是不存在所谓的大爆炸的。宇宙大爆炸并不是说宇宙自身出现大爆炸,而是指宇宙中的星系出现大爆炸。

引力波的研究只是对宇宙中的星系产生的消亡存在意义,对宇宙并不存在意义。

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