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爱因斯坦引力波被证实:弯曲时空平行宇宙或可被发现!

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-10-11

  1915年,爱因斯坦发表了场方程,建立了广义相对论。

一年之后,史瓦西发表了后来被用来解释黑洞的爱因斯坦场方程的解。

1963年,克尔给出了旋转黑洞的解。

1974年脉冲双星PSR1913+16的发现证实了致密双星系统的引力辐射完全与广义相对论的预言一致。

2016年2月11日,LSC(LIGO科学合作组织,LIGO Scientific Collaboration)向全世界宣布:人类首次直接探测到了引力波,并且首次观测到了双黑洞的碰撞与并合。

  在这一百年里,被誉为"人类认知自然最伟大的成就" 的广义相对论,一直在成长中:我们知道了时空的弯曲以及一些由时空弯曲可能产生的奇异事物,比如黑洞、引力波、奇点、虫洞甚至时间机器。

在过去历史中的某些时期,甚至现在,其中有些事物被不少物理学家视为洪水猛兽般的怪物,对它们是否存在提出过强烈的怀疑。

就连爱因斯坦本人直到逝世前都还在怀疑黑洞的存在。

曾经同样的黑洞怀疑论者惠勒,后来却成为了黑洞存在的支持者和宣传者。

历史告诉我们,我们对时间、空间和时空弯曲所产生的事物的认知,会发生革命。

引力波作为广义相对论的重要预言,直到在上个世纪60年代,其存在性也仍被不少物理学家质疑过。

在之后的漫长岁月里,几代物理学家付出了无数努力,可这神秘的引力波却一直没有被发现。

  北京时间2015年9月14日17点50分45秒,激光干涉仪引力波天文台(以下简称LIGO)分别位于美国路易斯安那州的利文斯顿(Livingston)和华盛顿州的汉福德(Hanford )的两个的探测器,观测到了一次置信度高达5.1倍标准差的引力波事件:GW150914。

根据LIGO的数据,该引力波事件发生于距离地球十几亿光年之外的一个遥远星系中。

两个分别为36和29太阳质量的黑洞,并合为62太阳质量黑洞,双黑洞并合最后时刻所辐射的引力波的峰值强度比整个可观测宇宙的电磁辐射强度还要高十倍以上。

详细结果将在近日发表于物理评论快报(Phys. Rev. Lett., 116, 061102)。

这项非凡的发现标志着天文学已经进入新的时代,人类从此打开了一扇观测宇宙的全新窗口。

  LIGO汉福德(H1,左图)和利文斯顿(L1,右图)探测器所观测到的GW150914引力波事件。

图中显示两个LIGO探测器中都观测到的由该事件产生的引力波强度如何随时间和频率变化。

两个图均显示了GW150914的频率在0.2秒的时间里面"横扫"35Hz到250Hz。

GW150914先到达L1,随后到达H1,前后相差7毫秒——该时间差与光或者引力波在两个探测器之间传播的时间一致。

(此图版权为LSC/Virgo Collaboration所有)

  1、什么是引力波?

  广义相对论告诉我们:在非球对称的物质分布情况下,物质运动,或物质体系的质量分布发生变化时,会产生引力波。

在宇宙中,有时就会出现如致密星体碰撞并合这样极其剧烈的天体物理过程。

过程中的大质量天体剧烈运动扰动着周围的时空,扭曲时空的波动也在这个过程中以光速向外传播出去。

因此引力波的本质就是时空曲率的波动,也可以唯美地称之为时空的"涟漪"。

  下面这个动画来自佛罗里达大学的S. Barke,显示了两个黑洞相互绕旋慢慢靠近最后并合的全过程。

过程中黑洞周围的时空被剧烈扰动,最后以引力波的形式传播出去。

  引力波的强度由无量纲量h表示。

其物理意义是引力波引起的时空畸变与平直时空度规之比。

h又被称为应变,它的定义可以用下图说明。

  

  引力波竖直穿过由静止粒子组成的圆所在平面时,圆形状发生的变化。

(图片来自德国爱因斯坦研究所。

)

  由上图可见,在引力波穿过圆所在平面的时候,该圆会因为时空弯曲而发生畸变。

圆内空间将随引力波的频率会在一个方向上被拉伸,在与其垂直的方向相应地被压缩。

为了便于解释引力波的物理效应,图中所显示的应变h大约是0.5,这个数值远远大于引力波的实际强度。

哪怕是很强的天体物理引力波源所释放的引力波强度,到达地球时也只有10-21。

这个强度的引力波在整个地球这么大的尺度上产生的空间畸变不超过10-14米,刚好比质子大10倍。


在我们能看到的宇宙之外,可能还有无数个平行宇宙

在我们能看到的宇宙之外,可能还有无数个 “别的宇宙”,它们要么离得极远、要么维度不同、要么物理常数都不一样。

这些宇宙里,可能有 “另一个你”,做出过不同选择,过着不一样的人生。

它不是瞎编,来自两大理论

量子力学:多世界诠释(最有名)

1957 年,休・埃弗雷特提出:量子每次 “二选一”,宇宙就会分裂成两条平行现实。

比如薛定谔的猫:不是 “又死又活”,而是一个宇宙猫死了,另一个宇宙猫活着,两个世界都真实,只是互相看不见。

好处:数学最简单,不用额外加 “波函数坍缩” 规则,很多物理学家(如肖恩・卡罗尔)认为这是对量子力学最优雅的解释。

宇宙学:永恒暴胀+泡泡宇宙

大爆炸之后,宇宙极快膨胀(暴胀)。

安德烈・林德等人发现:暴胀不会同时停,有的区域停下成 “泡泡宇宙”,外面还在无限膨胀。

我们的宇宙只是其中一个泡泡;

别的泡泡可能光速、引力强度、甚至物理定律都不同。

这个模型能自然解释宇宙为什么这么均匀、这么平,和微波背景辐射数据吻合得很好。

主要的几类平行宇宙(通俗版)

遥远复制区(第一类)

宇宙无限大,物质均匀分布,极远处会有和地球一模一样的复制区,也有另一个你,历史几乎一样,只是某次选择不同。

泡泡宇宙(第二类)

每个泡泡是独立宇宙,物理常数 / 定律可能不同,有的能形成恒星行星,有的不能。

量子多世界(第三类)

每次量子选择,世界分裂,所有可能性都在不同分支里实现,分支之间不互通、不可见。

数学宇宙(第四类,偏哲学)

所有数学上自洽的结构都对应真实宇宙,我们的宇宙只是其中一种数学结构。

有证据吗?—— 目前只有 “间接线索”

宇宙微波背景冷斑:大爆炸余晖里有个异常低温区,有人猜是早期和另一个泡泡宇宙碰撞的痕迹,但没定论。

量子纠缠与干涉:量子计算机的并行计算能力,被戴维・多伊奇等物理学家认为是多世界存在的间接证据—— 计算是在多个平行世界里同时完成的。

暗能量与宇宙常数:我们宇宙的暗能量数值 “刚好适合生命”,用多重宇宙+人择原理能自然解释:无数泡泡里,只有数值刚好的才能演化出我们来观察它。

争议在哪?—— 最大问题:“看不见、摸不着”

无法验证 / 证伪:平行宇宙和我们没有光信号联系,原则上很难直接观测;

有人认为这已经接近玄学,不算科学。

奥卡姆剃刀:批评者说,为了解释我们看到的世界,引入无限个不可观测宇宙,太 “奢侈”,不如找更简单的解释。

概率与测量问题:多世界里 “所有结果都发生”,很难定义 “概率”,数学上还有没解决的难题。

总结(人话版)

科幻感很强,但出身很科学:来自量子力学和宇宙学的核心方程,不是瞎编。

存在可能性不小:多世界诠释和泡泡宇宙,都是很多顶尖物理学家认真支持的主流模型。

但别当事实:至今没有任何一个实验能直接证明平行宇宙存在,它仍是假说。

另一个你?:在多世界和无限宇宙模型里,理论上一定存在;

但你们永远无法见面、无法互相影响。

量子信息+熵,能解释宇宙的演化吗

热力学第二定律,也许是物理里最根本的几条原理之一。

它说,一个系统的熵只会随时间增加,不会减少。

这也是唯一一条能指明"时间箭头"朝哪走的物理定律。

熵,说白了就是无序的程度:熵越低,结构越有序;熵越高,越散乱。

糖从浓处向淡处扩散、气体膨胀、咖啡放凉,背后都是熵在增加。

人们相信,宇宙的演化也遵循这条定律。

宇宙早年处于低熵状态,一路演化到高熵。

可就在这个过程中,宇宙造出了一些极其复杂的结构——星系就是代表。

星系的熵很低,却是在一个高熵的环境里形成的。

这看起来像是在违反第二定律。

这个存在已久的矛盾,正是物理学家金妮斯特拉·比安科尼想解决的难题。

引力、熵与量子信息的交织,是比安科尼理论的视觉主题(图片来源:Physics World) 在爱因斯坦的广义相对论里,有个叫"度规"的数学对象,描述时空是怎么弯曲的;物质沿着这条弯曲走,就表现成了引力。

而在量子力学里,"算符"是对量子态做变换的数学工具。

比安科尼的关键一步,就是把这个"度规"当成量子算符来用,用量子化的方式描述时空的几何。

这样一来,会冒出两个"度规":一个是"真实"的时空度规,一个是由物质和能量诱导出来的度规。

两者之间"差多少",用量子信息论里的一个量来度量,叫量子相对熵。

正是这两个几何之间的量子相对熵,决定了时空怎么演化——换句话说,它给出的运动方程,就是引力。

在低曲率极限下,这套方程能精确还原爱因斯坦的广义相对论。

可一旦超出这个极限,方程就得被一个叫"G场"的对象修正。

G场生出一个暗能量项,而且是动态的。

暗能量被认为是直接推动宇宙膨胀的东西;在标准广义相对论里,它由静态的宇宙学常数驱动。

现在冒出一个动态的暗能量项,就有了被实验检验的机会。

比安科尼又把这套理论用到了弗里德曼-罗伯逊-沃克(FRW)宇宙模型上。

这是广义相对论对宇宙行为的一级近似,假设宇宙各向同性、处处均匀、且在膨胀。

膨胀由宇宙的主导成分驱动——暗物质、普通物质,或辐射。

宇宙膨胀时,体积变大,总熵也跟着变大。

但正因为体积涨得更快,单位体积里的熵——也就是熵密度——反而随时间下降。

总熵在涨,局部熵密度却在降,这就给了星系、甚至生命这类低熵结构一个在膨胀宇宙里被造出来的机制。

那这算不算违反第二定律?比安科尼用非空的 FRW 宇宙算了一遍总熵:要把熵密度在整个时空区域上积分,而因为体积随时间变大,总熵成了时间的函数——膨胀的速度超过了熵密度衰减的速度。

所以对辐射主导和物质主导的宇宙,总熵依然随时间增加,第二定律照样成立,尽管局部熵密度在下降。

比安科尼强调,GfE 理论还很年轻,需要实验来验证。

但这项工作揭示了它内在的热力学本质,为经典引力与量子引力都打开了新路——把引力用"量子信息"和"熵"来表述,也许正是通向"量子化引力"这个百年难题的另一条路径。

引力,也许并不是什么神秘的基本力,而只是信息与熵的必然结果。

若真如此,宇宙为什么要演化、为什么能长出星系和生命,答案也许就藏在这条最普通的第二定律里。

来源:S. Jones, "Could quantum information theory explain universe evolution?" Physics World, 14 Sep 2026. 报道所引研究:G. Bianconi, Physical Review D.

追踪13.4万亿个暗物质!百亿亿次超算用4天完成这场模拟

科技日报记者 刘霞 美国能源部阿贡国家实验室日前发布消息称,该机构科学家借助“极光”百亿亿次超级计算机,完成了迄今规模最大的两次宇宙学模拟。

每次模拟都追踪了13.4万亿个暗物质粒子在286亿光年宽度区域内的演化过程。

这一成果有助于科学家研究宇宙暴胀,并为分析大型巡天观测数据提供重要支撑。

左图为百亿亿次级模拟生成的全天空光锥图;右图外圈显示宇宙微波背景辐射,扇区分别展示视线速度(红/蓝)、物质密度(灰)和引力势(绿/蓝)。

图片来源: 美国阿贡国家实验室 宇宙暴胀理论认为,极早期宇宙曾经历一段短暂而剧烈的快速膨胀。

这一过程将微观量子涨落拉伸到宇宙尺度,留下微小的密度差异;随后,引力把这些差异不断放大,最终形成我们今天看到的星系、星系团和宇宙大尺度结构。

然而,暴胀背后的具体物理机制仍未完全确定。

通过研究物质在宇宙中的分布,有望找到更多线索,探索宇宙最早期的秘密。

暗物质无法被望远镜直接看见,却凭借引力主导星系形成,并塑造更大尺度的宇宙结构。

在模拟中,暗物质粒子被用作暗物质密度和速度分布的“示踪剂”,团队由此得以追踪宇宙结构跨越数十亿年的演化轨迹。

标准宇宙暴胀模型预测,早期宇宙的密度涨落服从高斯分布,也就是最简单的一类随机模式。

科学家正努力寻找其中可能存在的微小偏差,即“原始非高斯性”。

一旦发现可测量的偏差,就可能暗示暴胀时期还存在其他场、相互作用或动力学过程,从而帮助区分关于宇宙最初时刻的不同理论。

然而,这类信号极其微弱,还可能被“宇宙方差”掩盖——由于观测只能采样宇宙的有限体积,统计不确定性难以完全消除。

因此,探测此类信号需要覆盖最大宇宙尺度的超大规模模拟。

而如此规模的模拟对算力要求极高。

团队在阿贡国家实验室的“极光”超级计算机上完成了计算。

模拟及大部分数据分析约4天完成,目标正是揭示宇宙暴胀的物理本质。

这些模拟数据将助力分析多项大型巡天项目,包括美国能源部支持的暗能量光谱仪(DESI)和NASA的SPHEREx任务,两者目前均处于数据采集阶段。

模拟与前沿观测相互印证,将共同描绘出更为精细的宇宙图景,推动人类对宇宙起源与演化的探索。

来源:科技日报