走進不科學 第七百一十章 立約！

    「原初引力波？」

    這一次。燃字閣 http://m.ranzige.com

    聽到楊振寧拋出的這個概念，黃昆臉上倒沒之前那般疑惑了。

    取而代之的。

    則是一抹若有所悟的思色。

    引力波。

    這三個字其實應該分成兩部分來理解，也就是「引力」和「波」。

    那麼引力為什麼會有個波呢？

    答案顯然並不是因為引力是個女性，而是因為時空有了結構——我們平時觀察到的物質的運動，都是發生在時空之中的。

    某種意義上可以理解為物質是演員，時空是這些演員表演的舞台。

    普通的波，例如水波、聲波、電磁波，都是演員在運動，舞台不動。

    而引力波呢，則是舞台本身的運動。

    在小牛的牛頓力學中。

    時空是一個平淡無奇的舞台，因為時間就是均勻的流逝，空間就是均勻的綿延。

    無論物質有多少、怎麼運動，對這個舞台都沒有影響，所以不可能有波動，也就是此前提及過的絕對時空觀。

    但在老愛的相對論中，舞台的性質就很特別了。

    在廣義相對論中，老愛對引力的描述方式變得比小牛的平方反比律複雜多了，成了繞一個很大的彎子：

    質量引起時空的彎曲，物體在彎曲的時空中運動，看起來就像是受到引力的作用一樣。

    好比諸位面前有一張平坦的紙，它的曲率是零。

    在這張紙上面，三角形的內角和等於180度，圓的周長等於2π乘以半徑，如此等等，歐幾里得幾何（就是你初中學的平面幾何）的定理都成立。

    如果把這張紙變形一下，比如說變成一個球面，曲率大於零，許多歐幾里得幾何的定理在這裏就不成立了。

    例如三角形的內角和大於180度——你甚至可以做出三個內角都是直角的球面三角形，它的內角和高達270度，圓的周長小於2π乘以半徑等等

    如果把這張紙變成馬鞍形，曲率小於零，你同樣也會發現許多違反歐幾里得幾何的現象，只是表現在相反的方向。

    例如三角形的內角和小於180度，圓的周長大於2π乘以半徑。

    當把彎曲的對象從一張紙也就是一個二維的面推廣到相對論的時空也就是一個四維的幾何結構，就明白「時空彎曲」是什麼意思了，就是時空的每一點都可以有個或正或負或零的曲率。

    廣義相對論給出了質量與附近的時空曲率之間的關係，質量越大，對周圍的時空產生的彎曲就越大。

    當一個物體不受其他力、只在引力的作用下運動時，無論時空是彎曲的還是平坦的，它都只是按照距離最短的路線即「短程線」運動。

    如果時空是平坦的，短程線就是直線，這時沒有引力，它做的就是勻速直線運動。

    如果時空是彎折的，短程線就變成了曲線。

    這時在其他觀察者看來，這個物體似乎就是在引力的作用下運動——例如地球繞太陽的公轉軌道，就是地球在太陽周圍的彎曲時空中的短程線。

    如果還是沒法理解再舉個簡單的例子吧。

    太陽好比一個耳根，他往沙發上一坐，就產生一個大坑，那麼其他人坐在沙發上時，都會不由自主地被這個大坑陷進去。

    在廣義相對論中。

    不同地方的時空可以具有不同的曲率，所以說時空有了結構。

    既然有了結構，自然就可以波動了。

    因此根據廣義相對論。

    引力波應該是一種極其常見的現象，任何不是球對稱的物體的加速運動都會產生引力波。

    這個概念在理論物理的知名度極廣，所以黃昆這次倒是能跟上楊振寧的思路。

    隨後他眼神微微一動，朝楊振寧問道：

    「老楊，不對吧，為什麼探測到引力波，就能說是找到了引力子？」

    「雖然理論上來說引力波應該具備波粒二象性，但如果從相對論的角度用度規場來對它進行解釋，似乎也可以說得通吧？」

    「換而言之二者之間應該沒有那種絕對的輔證關係，否則愛因斯坦也不可能支持引力波的存在了。」

    波粒二象性。

    這個概念最早提出的時候只被用於光子，但後來隨着理論發展，已經被推廣到了所有的基本粒子。

    所以從波的角度進行逆推，一個微觀領域的波，同樣也應該有對應的微粒。

    但是

    引力波卻有些特殊。

    早先提及過。

    相對論是目前描述引力最完美的一個理論，它只認為宇宙中存在引力場而不存在引力子，引力波的傳遞依靠的是度規場。

    也就是說引力波是張量波，當波穿過某區域時，它會導致空間在垂直方向上收縮和舒張。

    這個解釋同樣能夠對引力波進行釋意，而且自身可以形成一個良好的閉環生態圈。

    用後世的例子來解釋就是

    廣義相對論相當於蘋果的ios系統，標準粒子模型相當於安卓陣營。

    ios哪怕不需要和安卓有交集也依舊可以過的很好，甚至在很多情景下可以說是霸主。

    代表着標準粒子的安卓陣營則在全體用戶上有着優勢——也就是標準粒子模型對科技發展的影響要比廣相更大，目前二者正處於很焦灼的纏鬥局面。

    引力波則相當於是一個很重要的軟件，ios能支持它，安卓也能支持它。

    當然了。

    引力子的話就不一樣了。

    這玩意兒就相當於突然死亡法則，只要被證明或者證偽，廣相和標準粒子模型都得涼一個。

    「」

    看着有些疑惑的黃昆，楊振寧很快搖了搖頭：

    「老黃，你再好好想想。」

    「我說的可不是普通的引力波，而是原初引力波。」

    「原初引力波？」

    黃昆下意識扶了扶眼鏡：

    「那是啥玩意兒？」

    楊振寧想了想，雙手在面前做了個手勢，解釋道：

    「老黃，你應該知道，所謂引力波，顧名思義就是引力場的波動，或者說是引力場度規的擾動。」

    「這種擾動由於種種情況的干涉或者影響很複雜，就像你愛吃的包子，它從最初的小麥到成品的包子之間，摻雜了很多很多的步驟——比如說脫谷、抹面、發酵等等等等」

    「引力波同樣如此，常規的引力波由於多種情景使然，內部的信息也很複雜，就像你之前說的那樣，它可以用標準模型解析，但也可以用廣相釋意。」

    「但如果我們能找到一種時間跨度很長的引力波呢？比如說跨度早到宇宙早期？」

    黃昆頓時一怔。

    接着楊振寧繼續解釋道：

    「在極早期宇宙中，能量標度很高，引力的量子效應不可忽略，所以引力場和其他物質場一樣會有量子擾動。」

    「也就是說當時的引力就是量子態的——當然了，由於引力波是經典效應不是量子效應，所以引力場的這種量子擾動還不能看作是引力波，它只能算是引力波的『種子』。」

    「後來這粒種子隨着宇宙暴脹而生長放大，波長被拉長至遠大於當時宇宙視界的尺度，它就被經典化，成為了充斥着全宇宙的引力波。」

    「而這第一批誕生的引力波，便是原初引力波。」

    「一旦我們能夠捕捉到原初引力波，那麼就可以去逆推極早期宇宙的物理信息，其中便包括了可能存在的引力子。」

    楊振寧說完，下意識便與李政道對視了一眼。

    他從李政道說出量子系統方程的時候，便知道自己的這位老對頭同樣想到了原初引力波。

    眾所周知。

    從宇宙學擾動理論出發，可以推導出引力場度規張量擾動h的方程：

    d/dt=ag00c2dt2+ag0jdx0dxj+h+k^2h+gijdxidxj

    其中 a是宇宙的尺度因子，k是擾動的動量模式，≡d/dt是對共形時間的導數。

    接着通過重定義，可以將其轉化為一個變頻諧振子方程：

    ααhμν+aμνh+a′(λμhλν+λνhλμ)+bημναβhαβ+b′ημνααh=ktμν

    沒錯。

    想必聰明的同學已經看出來了。

    從這個方程不難看出，如果宇宙是在暴脹的，即 a1/t，那麼方程將有如下形式的解：

    (13a)ααh+2αβhαβ=kt

    可以看到解的虛部正比於宇宙的尺度 a，換回最初定義的擾動h，由於擾動 h的能量密度虛部p|虛部|2/a2，且總能量 epa3。

    可知引力波的總量會隨暴脹期間宇宙尺度a的急劇增大而快速增多，這就是原初引力波產生的方式。

    或許是想讓黃昆能夠更好理解自己的想法，楊振寧很快又解釋道：

    「極早期宇宙的物理信息主要是指宇宙暴脹的具體物理機制，不同的機制形成的原初引力波不盡相同，因此我們可以通過觀測原初引力波的特徵來判斷極早期宇宙的暴脹是如何發生的。」

    「具體來說，原初引力波有一個參數叫做張標比r，即原初張量擾動與原初標量擾動強度之比。」

    「通常不同的暴脹機制會預言不同的張標比r，只要我們將來探測到原初引力波，獲得了張標比r以及另外一個參數譜指數ns的具體數值，就可以去判斷宇宙究竟是在什麼物理機制的推動下發生暴脹的。」

    「宇宙早期的物理機制一搞懂，引力子的問題自然也就迎刃而解了。」

    黃昆這才若有所思的點了點頭。

    原來如此

    宇宙的暴脹理論一直都是個很前沿並且很有熱度的課題，不過這玩意兒也是屬於信服度很高但長期缺乏證據的一類理論。

    如果按照楊振寧所說的這個情況，再結合元強子模型的部分內容，一個疊代的邏輯推論便出現了：

    在宇宙大爆炸過程中，原初引力波的產生幾乎早於其他任何能量形式，早在電弱作用融合一體、物質與輻射尚未分離的時候就已經存在。

    所以原初引力波當屬這個宇宙里閱歷最豐富，見識最廣博的角色，那些早期的經歷都已被原初引力波小心地記錄下來。

    在起初數萬年密不透光的「宇宙黑暗時期」，全宇宙的樣貌數次巨變。

    等到「黑暗時期」結束，第一縷光可以從容射向遠方，原初引力波便是最早的見證者

    同時原初引力波自身也足以論證引子力的真偽——無論引力子是否存在，只要能捕捉到原初引力波，一切的一切就都能得到最終的結論。

    想到這裏。

    黃昆又意識到了什麼，皺着眉頭對楊振寧問道：

    「老楊，按照你的說法，探測原初引力波的設備精度要求應該會很高吧？」

    楊振寧坦然的點了點頭：

    「那是必然的，至少以咱們目前國內不，哪怕是海對面的設備精度，距離那個要求都差了好些個量級。」

    「不過這個精度再怎麼高，至少都屬於人力可窮的範疇，至少沒普朗克尺度那麼絕望。」

    聽聞此言。

    一旁的李政道亦是輕輕點了點頭。

    普朗克長度是6x10^-33厘米，普朗克尺度的意思就是單位未必相同，但彼此的能級是一樣的。

    眼下這個時代設備精度有兩種，一是應用物理也就是生產零部件可以達到的級數，這個級數是10的負六次方米左右。

    還有一種是測量精度，可以理解成感應精度，大概在十的負九次方米。

    無論是以上二者中的哪一方，和普朗克尺度的差距都有十萬八千里

    而原初引力波的探測精度則相對要小一點，畢竟楊振寧他們已經把對應的框架給鼓搗出來了。

    接着楊振寧又看向了李政道，今天以來頭一次喊出了對方的名字：

    「老李，你準備選哪一個？」

    李政道微微一怔，不過很快便明白了楊振寧的意思——他是在問自己要選暗物質還是原初引力波來做賭約呢。

    暗物質的難度相對低點兒，畢竟它的難點主要在於鎖定對應的能級。

    雖然這個能級也是目前科技所難達到的水平，但李政道估摸着即便是他認知中的華夏，也應該能在20年內擁有觸及這個量級的能力。

    而原初引力波嘛可能需要的時間就比較長了。

    別說20年，甚至20年翻個倍的40年，都未必夠解決這個問題

    「」

    隨後李政道沉默了足足有一分鐘左右，方才給出了自己的答案：

    「課題上我兩個都要，至於判定誰贏的那個成果嘛，就選原初引力波吧。」

    楊振寧看了他一眼，反問道：

    「你確定？如果是原初引力波，那咱們估摸着就得爭上一輩子了。」

    李政道坦然的與他對視了幾秒鐘：

    「那就爭一輩子吧，爭到你我快要入土的時候把恩怨兩清，剩下的事情交給後人去評說就好了。」

    註：

    定了個行程，一月底身體好了大概會去趟首都，拜訪一下楊老，不過只是定了行程而已，所以有些想法現在也不好說，到時候看看吧。