我们发现了引力波。我们将从中了解到什么？

2016年2月，阿尔伯特·爱因斯坦再次创造了历史。当时，物理学家们宣布他们终于观测到了这位伟大科学家在100年前的理论所预言的现象：引力波。

首次确认观测到的引力波——时空扭曲，字面上是宇宙结构中的涟漪——是一项巨大的壮举，为激光干涉仪引力波天文台（LIGO）的关键开发者赢得了诺贝尔奖。这些波的最终来源与探测它们所用的工程技术一样奇妙：两个黑洞相互碰撞，它们巨大的引力在整个宇宙中产生波动。

这项成就，是长达数十年的努力的结晶，理所当然地受到了庆祝。但是，尽管它解决了引力波是否存在这一长期问题，它也标志着一个全新旅程的起点。

在此之前，天文学一直只基于对电磁辐射和中微子、宇宙射线等奇异粒子的研究。但是，微小的引力涟漪，以及我们最近获得的能力来观测它们，开创了一种研究宇宙的新颖方式。

引力波为既定的研究途径提供了独立的交叉验证，同时揭示了我们以前从未见过——甚至可能从未想象过——的现象。除了我们现在能看到的黑洞与其他超密物体之间剧烈碰撞的（以前无法获得的）绝佳视角，引力波还可能让我们了解大爆炸发生后的瞬间发生了什么。此外，它们还可以向我们展示宇宙自那时以来是如何膨胀的。虽然引力波的发现证实了爱因斯坦的神圣原理，但研究人员现在可以对广义相对论进行迄今为止最严格的测试，甚至可能揭示其不足之处。

研究人员已经开始探索新兴的引力波天文学时代中五个值得深入研究的课题。

1. 第一批黑洞

在某些方面，黑洞是简单的物体。当宇宙中某处质量超过其所能承受的范围时，它可能会形成一个奇点——一个接近无限密度的点，在那里通常的物理定律失效。任何过于靠近的东西，包括经过的光线，都无法逃脱其引力。天文学家认为，每个黑洞的中心都存在这样一个奇点。

已知最古老的黑洞出现在130亿多年前，大约在大爆炸后6.9亿年，但第一批黑洞可能出现得更早：在大爆炸后的几分之一秒内。（理论家认为它们可能是在动荡的新生宇宙中高密度区域坍缩时形成的。）

假设它们存在，这些所谓的原初黑洞将与最常见的黑洞不同，后者是在大质量恒星耗尽核燃料，无法再承受自身引力时形成的。因此，尽管正常的“恒星”黑洞被认为是宇宙中公认的特征，但原初黑洞在半个世纪以来一直停留在假设和神秘之中。但一种依赖引力波的新技术可能会揭示它们的存在。

布朗大学的天体物理学家萨瓦斯·库希亚帕斯（Savvas Koushiappas）和哈佛大学的阿维·勒布（Avi Loeb）设计了一种寻找原初黑洞的简单方法。它围绕着寻找由古代黑洞碰撞引起的引力波纹，这是目前探测它们的最佳方式。

原初黑洞最初是在1966年由俄罗斯科学家雅科夫·泽尔多维奇（Yakov Zeldovich）和伊戈尔·诺维科夫（Igor Novikov）提出的。斯蒂芬·霍金在大约五年后进一步发展了这一想法。从那时起，研究人员一直在寻找原初黑洞存在的证据。

两人首先推断，在早期宇宙中，原初黑洞是唯一可能存在的黑洞，因为恒星黑洞在恒星本身形成之前是无法形成的。因此，他们估计了一对恒星黑洞可能碰撞的最早时间，并推断在此之前观测到的任何引力波都必然是由原初黑洞引起的。基于保守的假设，他们发现第一批恒星黑洞至少在大爆炸后6700万年才能形成并碰撞。

因此，如果LIGO探测到在该截止日期之前发生的黑洞合并产生的波，那将意味着两件事之一：第一个也是最令人兴奋的可能性是，原初黑洞确实存在，从而证实了一个长期存在的猜想。作为额外的好处，Koushiappas和Loeb已经确定原初黑洞可以构成宇宙中一些尚未解释的暗物质，因此这一发现可以为天文学最大的谜团之一提供部分解决方案。

第二种解释很简单，就是标准宇宙学模型可能存在某种偏差。“无论哪种情况，”勒布说，“都将是重大新闻，告诉我们这里有一些我们尚未完全掌握的新物理学。”

2. 奇异物质

在小说《猫的摇篮》中，小说家库尔特·冯内古特设想了一种名为“冰-九”的新型结晶水，它非常稳定，只有在高温下才会融化。它也是一种具有传染性的结构：任何与冰-九接触的液态水都会立即冻结，转化为更多的冰-九。

物理学家推测，类似的事情可能正在中子星的核心发生。这些天体是那些体积太小而无法成为黑洞的恒星剧烈死亡后留下的尸体。中子星内部的密度非常高（大约是液态水的100万亿倍），以至于恒星原有的原子分解成中子、质子和电子，然后质子和电子被挤压在一起形成更多的中子。它字面上是由中子组成的实体，因此得名中子星。

冰-九的类比是这样的：在足够高的压力下，这些恒星致密核心中的中子会变回它们的基本组成部分——构成普通物质的质子和中子的上夸克和下夸克。然而，这是一种不稳定的排列，类似于一个摇摇欲坠的多米诺骨牌。在中子星中，事实证明，大致相等比例的上、下和更重的奇异夸克——一种被称为奇异物质的混合物——将比单独的上、下夸克混合物更稳定。它只需要一点点能量就可以将一个上或下夸克转化为一个奇异夸克，而且这个过程释放的能量足以将附近的夸克转化为奇异夸克，就像推倒长排中的第一个多米诺骨牌可以推倒整个一批一样。

“一旦奇异物质的种子形成，它就可以无限生长，并将整个中子星转化为奇异星，”巴西国家空间研究所的天体物理学家佩德罗·莫拉埃斯说。由于地球上的实验室无法重现这些条件，他说，找出奇异物质是否存在最好的方法是研究中子星的内部。而做到这一点最好的方法是什么？研究引力波，它们以光速不受阻碍地从这些物体碰撞的心脏直接传播出来。

欧洲的爱因斯坦望远镜，一种可能的下一代地基引力波探测器，应该能够发现奇异星。它由三条6英里长的臂组成，将完全位于地下。

普通中子星合并会产生独特的引力波。如果中子星和奇异星相撞，先进的引力波探测器可以轻易分辨出差异。莫拉埃斯说，这取决于波本身的频率，“当系统中包含一颗奇异星时，频率会更高；如果是奇异星双星，频率还会更高。”随着两个天体靠近，它们会以逐渐缩小的轨道相互螺旋运动；由于奇异星比中子星更小更致密，它们在此阶段可以遵循更小的轨道。这使得天体能够更快地旋转，从而增加引力波辐射的强度和频率。

这样的发现不仅能解决奇异星是否存在的问题，还可能表明奇异物质是否真的是宇宙中最稳定的物质形式，能够将其所接触的一切转化为更多的奇异物质——这是宇宙尺度的“冰-九”。如果这是真的，那么任何偏爱塑造我们世界和我们生命的分子结构的人，都应该被建议保持安全距离。

3. 额外维度

我们都熟悉爱因斯坦相对论的四个维度：高、宽、长和时间。超越这四个维度之外的额外维度的概念听起来像是科幻小说，但这至少一个世纪以来一直是科学探究的焦点。

1919年，德国数学家西奥多·卡鲁扎向爱因斯坦提出了一种将引力和电磁力结合成单一、统一力的方法——这是物理学长期以来的目标——但这需要五个维度。20世纪80年代的弦理论走得更远，提出了存在**六个**额外的微小且看不见的维度，试图将粒子和已知的四种自然力统一到一个框架中。该理论在理论物理和数学方面取得了重要进展，尽管它仍在等待经验验证。

尽管进行了无数次实验——使用高精度摆锤、高能粒子束和其他精密工具——科学家们尚未发现任何额外维度的证据。但如果我们想了解我们的宇宙，确切知道时空是否比我们容易感知的四个维度更多，这一点很重要。欧洲核子研究中心物理学家大卫·安德里奥特（David Andriot）和他的同事古斯塔沃·卢塞纳·戈麦斯（Gustavo Lucena Gómez）（曾就职于马克斯·普朗克研究所）提出了一种新的发现方法：他们说，额外维度的证据可能隐藏在引力波的涟漪中。

这些波在时空中移动时会使其收缩和拉伸。安德里奥特建议，假设你正看着你的电脑，一道引力波正从屏幕中朝你袭来。根据广义相对论，这道波会在一小部分秒内延伸你屏幕的垂直轴并收缩水平轴，然后反过来，随着它向你逼近而迅速来回切换。

但如果引力波也穿过额外维度，它会以一种额外的模式变形空间，称为“呼吸模式”。安德里奥特解释说，垂直和水平轴“会一起增长和收缩，然后再一起延伸和收缩。引力波探测器也会发生同样的情况。所以看起来你的屏幕或探测器在……呼吸。”

一旦日本的KAGRA引力波望远镜今年晚些时候全面投入运行，与LIGO和欧洲的Virgo干涉仪一起，物理学家将有足够的运行探测器来发现这种新的呼吸模式变形。安德里奥特说，如果研究人员探测到这种模式，它将告诉我们宇宙要么确实有额外维度，要么“引力行为方式与我们认为的应该不同”——这两种解释都将重新定义物理学。

额外维度会是什么样子？

我们的大脑很难想象。一个经典的例子是绳索攀爬者和蚂蚁：攀爬者只能沿着绳索向上或向下移动，实际上被限制在一维空间中。但蚂蚁也可以**绕着**绳索爬行，在攀爬者无法进入的维度中移动。

4. 事件视界

黑洞最著名的特征之一是事件视界——包裹着隐蔽内部的无形表面，标志着一旦越过便无法逃脱的点。然而，如果你越过这条分界线，你甚至不会察觉。这是一个令人警醒的提醒，在深空中要小心行事。

黑洞一个鲜为人知的方面是它们的暂时性：斯蒂芬·霍金在1974年证明黑洞会缓慢地泄漏辐射，直到它们完全消失。这意味着黑洞中包含的任何信息最终也会消失——这严重违反了量子理论。这是一个问题：因为它们不可能都正确，所以广义相对论或量子力学必须以某种方式进行修改。

2012年，研究人员提出了一种牺牲部分相对论的量子解决方案。他们提出，事件视界之外存在一个更明显的边界，称为防火墙——一张由热的、高能粒子组成的薄层，任何穿过它的物质都会被烧毁。然而，信息仍然可能从这种修正的视界中最终逃逸，从而满足量子理论。

这仍然纯粹是理论性的，但引力波可能会提供防火墙确实存在的证据。我们知道，当两个黑洞合并成一个时，它们会发出这些涟漪，就像被敲击的铃铛在合并后会发出长时间的回响一样。在此期间，如果合并后的黑洞有防火墙，其引力特征将看起来不同：里斯本高等技术学院的物理学家维托尔·卡多佐（Vitor Cardoso）说，它会产生回声。

合并之后，一些由此产生的引力波向外传播，可能注定要到达像LIGO这样的探测器，而另一些则向内传播，朝向黑洞的中心。卡多佐说，如果只有一个事件视界，这些后者的波会“继续前进，永不返回。”但是，如果这些波在进入时撞击到防火墙，一些波就会向外反射，就像回声从峡谷壁上反弹一样。其中一部分可能到达LIGO，另一部分可能撞击到附近的其他物体并返回黑洞。这些波中的一些会再次从防火墙上反弹，最终可能以更微弱的信号到达LIGO。这个过程将持续下去，直到信号消失，微弱到无法探测。

解决黑洞信息悖论的其他方法包括让坠落物体以辐射形式释放数据，或者让信息以某种方式留在事件视界。或者问题可能出在量子理论本身，而不是广义相对论。

滑铁卢大学和圆周理论物理研究所的物理学家尼亚耶什·阿夫肖迪（Niayesh Afshordi）在LIGO前三次探测的综合数据中看到了此类回声的迹象。他表示，这只是一种统计巧合的可能性是1/100。这个概率听起来可能不错，但距离物理学家要求的1/100,000阈值还差得很远。在等待LIGO和其他设施传来新的、更精确的数据时，阿夫肖迪和他的同事们正在完善他们识别这些回声的策略。

回声的证据并不能保证黑洞被防火墙包围，但它会质疑广义相对论推导出的不可感知事件视界的标准图景。它还可能意味着我们原以为是黑洞的一些物体可能完全是其他东西：虫洞。

5. 虫洞

1916年，爱因斯坦提出广义相对论方程一年后，奥地利物理学家路德维希·弗拉姆（Ludwig Flamm）找到了一个解，描述了“虫洞”——一个连接宇宙中两个不同部分，或我们的宇宙与另一个宇宙的小隧道。

虫洞长期以来一直是科幻小说中流行的元素，被视为一种便捷的宇宙捷径。引力波天文学可能有助于我们找出这些时空隧道或“桥梁”（爱因斯坦称之为）是否在科学事实中有任何依据。

理论学家们提出了这样一种可能性：我们原以为是黑洞的一些物体实际上可能是虫洞。维托尔·卡多佐及其同事在2016年发表的一篇论文发现，虫洞——它们与黑洞一样巨大和紧凑，但缺乏事件视界——可以发出与被防火墙包裹的黑洞相同类型的引力回声。比利时鲁汶大学的研究人员在2018年也得出了类似的结论。

这两种物体可能看起来不同，但它们可能具有相似引力特征的观点听起来并不那么令人震惊。“虫洞是黑洞的修正，”KU鲁汶大学物理学家托马斯·赫托格（Thomas Hertog）说，他曾是斯蒂芬·霍金的学生。它们本质上只是相同方程的不同解。

卡多佐说，如果我们确实在引力波中发现确凿的回声，那么很难分辨出是哪种物体产生的，是防火墙还是虫洞。他补充说，广义相对论界内的许多人坚持认为，“任何类似于黑洞的东西都一定是黑洞”，这使得像虫洞这样截然不同的想法很难获得认可。

话又说回来，大约50年来，大多数物理学家也并不接受黑洞的存在。他们承认广义相对论方程解的数学有效性，但不相信宇宙真的会创造出这样的物体。时间和数据帮助改变了科学界的观念。

目前，黑洞的证据比虫洞强得多。“但我们还有很多不了解的地方，”卡多佐指出。“所以保持开放的心态是好的。”如果事实证明虫洞确实存在，我们可能不得不对人类未来穿梭其中保持开放的心态——而不仅仅是在电影中。

史蒂夫·纳迪斯（Steve Nadis），《发现》和《天文学》杂志的特约编辑，在马萨诸塞州剑桥打手球和排球，他与妻子、两个女儿和一只调皮的狗住在一起。这个故事最初以“涟漪效应”为题发表在印刷版上。