引力可产生光，这项新发现将对宇宙学产生深刻影响

SF中文
2023-06-10 20:20

一篇新的物理学论文指出，在早期的宇宙中，引力能够产生光。这为天体物理学和宇宙学的研究开辟了新的途径。

文 | 陈强

一组物理学家在近期发表的论文中表示，引力能够产生光。等一下，根据爱因斯坦的广义相对论，引力是时空弯曲的体现。而光是一种电磁波，它也可以被看作是由无质量的光子组成的。那么，弯曲的时空怎么会凭空地产生光子呢？要想让这个事情发生，我们需要引力的另一种体现形式 —— 引力波。

来自时空的涟漪

当投掷石头到池塘里时，池塘表面上就会产生涟漪，从石头入水的位置向外传播。当有质量的物体呈加速度运动时，它也会在时空中产生涟漪，从物体的位置向外传播，这就是引力波。

大部分物体产生的引力波都非常弱，只有那些剧烈的天文学事件，比如黑洞的合并、超新星爆发等，才能产生足够强的可被我们观测到的引力波。在 2015 年 9 月，人类借助激光干涉引力波天文台（LIGO）首次直接探测到的引力波，尽管传到地球上时，引力波引发的时空变化，其程度不超过一个原子核直径的千分之一。

物理学家表示，要想让引力产生光，得需要宇宙中能产生出的最强烈的引力波。这种引力波是早期的宇宙进行暴胀时产生的。

宇宙急速地膨胀

我们知道，我们的宇宙起源于一场大爆炸。在距今约 138 亿年前，宇宙从一个温度极高且密度极大的状态下开始膨胀，并将第一批物质分散到空间各处。随着时间的推移，宇宙变得越来越冷、越来越稀，物质和能量开始聚集形成恒星和星系等天体。

当前的宇宙学理论还认为，宇宙在大爆炸不久后，在很短的时间里经历了一种急速膨胀的过程。这个过程就被称为“暴胀”。暴胀结束之后，宇宙会继续膨胀，但速率要低得多。

高能引力波激发电磁场，进而产生光

理论研究表明，宇宙经历暴胀这个过程后，会产生许多可互相干扰的强烈的引力波。

一些引力波可以相互叠加，直到它们的振幅变得非常大。其中一些引力波可能已经形成了所谓的驻波模式，即波会在原地冻结。引力波被冻结的地方，就是引力能量极高的地方。

在这些引力强烈的区域，物理学家发现，引力的能量已经强大到可以激发它可能接触到的任何的电磁场，促使电磁场仅从引力的能量中产生出光。

能激发电磁场产生光所需的引力波强度，比我们今天能够探测到的引力波强度高很多倍。除非我们以某种方式迎来第二次宇宙大爆炸，否则引力产生的光可能已经永远成为过去。

尽管如此，该研究还会带来十分大的影响。在早期宇宙产生的辐射中，其中一部分可能就来自引力产生的光，这可能解释了为什么我们观测到的宇宙微波背景辐射中存在微小但有规律的涨落。而这些光还会继续影响宇宙中物质的形成和演化，所以在今后的宇宙学研究中，我们需要考虑到这些光所带来的影响。

此外，电磁学理论还告诉我们，光子是传递电磁力的媒介。而在量子引力理论中，传递引力的媒介则是一种被叫作“引力子”的无质量基本粒子。而这个研究表明，引力子可以转换为光子，并揭示了引力和电磁力存在着一个新颖且微妙的联系。这可能为我们找到一个能同时描述宇宙中四种基本相互作用力（强核力、弱核力、电磁力、引力）的“终极理论”提供了新的线索。

参考文献：

https://arxiv.org/abs/2205.08767

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