(苦读书 www.kudushu.org) “原初引力波？”
这一次。
听到杨振宁抛出的这个概念，黄昆脸上倒没之前那般疑惑了。
取而代之的。
则是一抹若有所悟的思色。
引力波。
这三个字其实应该分成两部分来理解，也就是“引力”和“波”。
那么引力为什么会有个波呢？
答案显然并不是因为引力是个女性，而是因为时空有了结构——我们平时观察到的物质的运动，都是发生在时空之中的。
某种意义上可以理解为物质是演员，时空是这些演员表演的舞台。
普通的波，例如水波、声波、电磁波，都是演员在运动，舞台不动。
而引力波呢，则是舞台本身的运动。
在小牛的牛顿力学中。
时空是一个平淡无奇的舞台，因为时间就是均匀的流逝，空间就是均匀的绵延。
无论物质有多少、怎么运动，对这个舞台都没有影响，所以不可能有波动，也就是此前提及过的绝对时空观。
但在老爱的相对论中，舞台的性质就很特别了。
在广义相对论中，老爱对引力的描述方式变得比小牛的平方反比律复杂多了，成了绕一个很大的弯子：
质量引起时空的弯曲，物体在弯曲的时空中运动，看起来就像是受到引力的作用一样。
好比诸位面前有一张平坦的纸，它的曲率是零。
在这张纸上面，三角形的内角和等于180度，圆的周长等于2π乘以半径，如此等等，欧几里得几何的定理都成立。
如果把这张纸变形一下，比如说变成一个球面，曲率大于零，许多欧几里得几何的定理在这里就不成立了。
例如三角形的内角和大于180度——你甚至可以做出三个内角都是直角的球面三角形，它的内角和高达270度，圆的周长小于2π乘以半径等等.....
如果把这张纸变成马鞍形，曲率小于零，你同样也会发现许多违反欧几里得几何的现象，只是表现在相反的方向。
例如三角形的内角和小于180度，圆的周长大于2π乘以半径。
当把弯曲的对象从一张纸....也就是一个二维的面推广到相对论的时空...也就是一个四维的几何结构，就明白“时空弯曲”是什么意思了，就是时空的每一点都可以有个或正或负或零的曲率。
广义相对论给出了质量与附近的时空曲率之间的关系，质量越大，对周围的时空产生的弯曲就越大。
当一个物体不受其他力、只在引力的作用下运动时，无论时空是弯曲的还是平坦的，它都只是按照距离最短的路线即“短程线”运动。
如果时空是平坦的，短程线就是直线，这时没有引力，它做的就是匀速直线运动。
如果时空是弯折的，短程线就变成了曲线。
这时在其他观察者看来，这个物体似乎就是在引力的作用下运动——例如地球绕太阳的公转轨道，就是地球在太阳周围的弯曲时空中的短程线。
如果还是没法理解.....再举个简单的例子吧。
太阳好比一个耳根，他往沙发上一坐，就产生一个大坑，那么其他人坐在沙发上时，都会不由自主地被这个大坑陷进去。
在广义相对论中。
不同地方的时空可以具有不同的曲率，所以说时空有了结构。
既然有了结构，自然就可以波动了。
因此根据广义相对论。
引力波应该是一种极其常见的现象，任何不是球对称的物体的加速运动都会产生引力波。
这个概念在理论物理的知名度极广，所以黄昆这次倒是能跟上杨振宁的思路。
随后他眼神微微一动，朝杨振宁问道：
“老杨，不对吧，为什么探测到引力波，就能说是找到了引力子？”
“虽然理论上来说引力波应该具备波粒二象性，但如果从相对论的角度用度规场来对它进行解释，似乎也可以说得通吧？”
“换而言之....二者之间应该没有那种绝对的辅证关系，否则爱因斯坦也不可能支持引力波的存在了。”
波粒二象性。
这个概念最早提出的时候只被用于光子，但后来随着理论发展，已经被推广到了所有的基本粒子。
所以从波的角度进行逆推，一个微观领域的波，同样也应该有对应的微粒。
但是.....
引力波却有些特殊。
早先提及过。
相对论是目前描述引力最完美的一个理论，它只认为宇宙中存在引力场而不存在引力子，引力波的传递依靠的是度规场。
也就是说引力波是张量波，当波穿过某区域时，它会导致空间在垂直方向上收缩和舒张。
这个解释同样能够对引力波进行释意，而且自身可以形成一个良好的闭环生态圈。
用后世的例子来解释就是......
广义相对论相当于苹果的ios系统，标准粒子模型相当于安卓阵营。
ios哪怕不需要和安卓有交集也依旧可以过的很好，甚至在很多情景下可以说是霸主。
代表着标准粒子的安卓阵营则在全体用户上有着优势——也就是标准粒子模型对科技发展的影响要比广相更大，目前二者正处于很焦灼的缠斗局面。
引力波则相当于是一个很重要的软件，ios能支持它，安卓也能支持它。
当然了。
引力子的话就不一样了。
这玩意儿就相当于突然死亡法则，只要被证明或者证伪，广相和标准粒子模型都得凉一个。
“......”
看着有些疑惑的黄昆，杨振宁很快摇了摇头：
“老黄，你再好好想想。”
“我说的可不是普通的引力波，而是....原初引力波。”
“原初引力波？”
黄昆下意识扶了扶眼镜：
“那是啥玩意儿？”
杨振宁想了想，双手在面前做了个手势，解释道：
“老黄，你应该知道，所谓引力波，顾名思义就是引力场的波动，或者说是引力场度规的扰动。”
“这种扰动由于种种情况的干涉或者影响很复杂，就像你爱吃的包子，它从最初的小麦到成品的包子之间，掺杂了很多很多的步骤——比如说脱谷、抹面、发酵等等等等.....”
“引力波同样如此，常规的引力波由于多种情景使然，内部的信息也很复杂，就像你之前说的那样，它可以用标准模型解析，但也可以用广相释意。”
“但如果我们能找到一种时间跨度很长的引力波呢？比如说跨度早到....宇宙早期？”
黄昆顿时一怔。
接着杨振宁继续解释道：
“在极早期宇宙中，能量标度很高，引力的量子效应不可忽略，所以引力场和其他物质场一样会有量子扰动。”
“也就是说当时的引力就是量子态的——当然了，由于引力波是经典效应不是量子效应，所以引力场的这种量子扰动还不能看作是引力波，它只能算是引力波的‘种子’。”
“后来这粒种子随着宇宙暴胀而生长放大，波长被拉长至远大于当时宇宙视界的尺度，它就被经典化，成为了充斥着全宇宙的引力波。”
“而这第一批诞生的引力波，便是原初引力波。”
“一旦我们能够捕捉到原初引力波，那么就可以去逆推极早期宇宙的物理信息，其中便包括了可能存在的引力子。”
杨振宁说完，下意识便与李政道对视了一眼。
他从李政道说出量子系统方程的时候，便知道自己的这位老对头同样想到了原初引力波。
众所周知。
从宇宙学扰动理论出发，可以推导出引力场度规张量扰动h的方程：
d\/dt=ag00c2dt2+ag0jdx0dxj+h+k^2h+gijdxidxj
其中a是宇宙的尺度因子，k是扰动的动量模式，≡d\/dt是对共形时间的导数。
接着通过重定义，可以将其转化为一个变频谐振子方程：
aahμν+aμνh+a′+bημνaβhaβ+b′ημνaah=ktμν
没错。
想必聪明的同学已经看出来了。
从这个方程不难看出，如果宇宙是在暴胀的，即a～1\/t，那么方程将有如下形式的解：
aah+2aβhaβ=kt
可以看到解的虚部正比于宇宙的尺度a，换回最初定义的扰动h，由于扰动h的能量密度虚部p～|虚部|2\/a2，且总能量e～pa3。
可知引力波的总量会随暴胀期间宇宙尺度a的急剧增大而快速增多，这就是原初引力波产生的方式。
或许是想让黄昆能够更好理解自己的想法，杨振宁很快又解释道：
“极早期宇宙的物理信息主要是指宇宙暴胀的具体物理机制，不同的机制形成的原初引力波不尽相同，因此我们可以通过观测原初引力波的特征来判断极早期宇宙的暴胀是如何发生的。”
“具体来说，原初引力波有一个参数叫做张标比r，即原初张量扰动与原初标量扰动强度之比。”
“通常不同的暴胀机制会预言不同的张标比r，只要我们将来探测到原初引力波，获得了张标比r以及另外一个参数谱指数ns的具体数值，就可以去判断宇宙究竟是在什么物理机制的推动下发生暴胀的。”
“宇宙早期的物理机制一搞懂，引力子的问题自然也就迎刃而解了。”
黄昆这才若有所思的点了点头。
原来如此......
宇宙的暴胀理论一直都是个很前沿并且很有热度的课题，不过这玩意儿也是属于信服度很高但长期缺乏证据的一类理论。
如果按照杨振宁所说的这个情况，再结合元强子模型的部分内容，一个迭代的逻辑推论便出现了：
在宇宙大爆炸过程中，原初引力波的产生几乎早于其他任何能量形式，早在电弱作用融合一体、物质与辐射尚未分离的时候就已经存在。
所以原初引力波当属这个宇宙里阅历最丰富，见识最广博的角色，那些早期的经历都已被原初引力波小心地记录下来。
在起初数万年密不透光的“宇宙黑暗时期”，全宇宙的样貌数次巨变。
等到“黑暗时期”结束，第一缕光可以从容射向远方，原初引力波便是最早的见证者.....
同时原初引力波自身也足以论证引子力的真伪——无论引力子是否存在，只要能捕捉到原初引力波，一切的一切就都能得到最终的结论。
想到这里。
黄昆又意识到了什么，皱着眉头对杨振宁问道：
“老杨，按照你的说法，探测原初引力波的设备精度要求应该会很高吧？”
杨振宁坦然的点了点头：
“那是必然的，至少以咱们目前国内...不，哪怕是海对面的设备精度，距离那个要求都差了好些个量级。”
“不过这个精度再怎么高，至少都属于人力可穷的范畴，至少没普朗克尺度那么绝望。”
听闻此言。
一旁的李政道亦是轻轻点了点头。
普朗克长度是1.6x10^-33厘米，普朗克尺度的意思就是单位未必相同，但彼此的能级是一样的。
眼下这个时代设备精度有两种，一是应用物理...也就是生产零部件可以达到的级数，这个级数是10的负六次方米左右。
还有一种是测量精度，可以理解成感应精度，大概在十的负九次方米。
无论是以上二者中的哪一方，和普朗克尺度的差距都有十万八千里......
而原初引力波的探测精度则相对要小一点，毕竟杨振宁他们已经把对应的框架给鼓捣出来了。
接着杨振宁又看向了李政道，今天以来头一次喊出了对方的名字：
“老李，你准备选哪一个？”
李政道微微一怔，不过很快便明白了杨振宁的意思——他是在问自己要选暗物质还是原初引力波来做赌约呢。
暗物质的难度相对低点儿，毕竟它的难点主要在于锁定对应的能级。
虽然这个能级也是目前科技所难达到的水平，但李政道估摸着即便是他认知中的华夏，也应该能在20年内拥有触及这个量级的能力。
而原初引力波嘛......可能需要的时间就比较长了。
别说20年，甚至20年翻个倍的40年，都未必够解决这个问题
“.......”
随后李政道沉默了足足有一分钟左右，方才给出了自己的答案：
“课题上我两个都要，至于判定谁赢的那个成果嘛，就选原初引力波吧。”
杨振宁看了他一眼，反问道：
“你确定？如果是原初引力波，那咱们估摸着就得争上一辈子了。”
李政道坦然的与他对视了几秒钟：
“那就争一辈子吧，争到你我快要入土的时候把恩怨两清，剩下的事情......交给后人去评说就好了。”
.........
注：
定了个行程，一月底身体好了大概会去趟首都，拜访一下杨老，不过只是定了行程而已，所以有些想法现在也不好说，到时候看看吧。
苦读书 www.kudushu.org
这一次。
听到杨振宁抛出的这个概念，黄昆脸上倒没之前那般疑惑了。
取而代之的。
则是一抹若有所悟的思色。
引力波。
这三个字其实应该分成两部分来理解，也就是“引力”和“波”。
那么引力为什么会有个波呢？
答案显然并不是因为引力是个女性，而是因为时空有了结构——我们平时观察到的物质的运动，都是发生在时空之中的。
某种意义上可以理解为物质是演员，时空是这些演员表演的舞台。
普通的波，例如水波、声波、电磁波，都是演员在运动，舞台不动。
而引力波呢，则是舞台本身的运动。
在小牛的牛顿力学中。
时空是一个平淡无奇的舞台，因为时间就是均匀的流逝，空间就是均匀的绵延。
无论物质有多少、怎么运动，对这个舞台都没有影响，所以不可能有波动，也就是此前提及过的绝对时空观。
但在老爱的相对论中，舞台的性质就很特别了。
在广义相对论中，老爱对引力的描述方式变得比小牛的平方反比律复杂多了，成了绕一个很大的弯子：
质量引起时空的弯曲，物体在弯曲的时空中运动，看起来就像是受到引力的作用一样。
好比诸位面前有一张平坦的纸，它的曲率是零。
在这张纸上面，三角形的内角和等于180度，圆的周长等于2π乘以半径，如此等等，欧几里得几何的定理都成立。
如果把这张纸变形一下，比如说变成一个球面，曲率大于零，许多欧几里得几何的定理在这里就不成立了。
例如三角形的内角和大于180度——你甚至可以做出三个内角都是直角的球面三角形，它的内角和高达270度，圆的周长小于2π乘以半径等等.....
如果把这张纸变成马鞍形，曲率小于零，你同样也会发现许多违反欧几里得几何的现象，只是表现在相反的方向。
例如三角形的内角和小于180度，圆的周长大于2π乘以半径。
当把弯曲的对象从一张纸....也就是一个二维的面推广到相对论的时空...也就是一个四维的几何结构，就明白“时空弯曲”是什么意思了，就是时空的每一点都可以有个或正或负或零的曲率。
广义相对论给出了质量与附近的时空曲率之间的关系，质量越大，对周围的时空产生的弯曲就越大。
当一个物体不受其他力、只在引力的作用下运动时，无论时空是弯曲的还是平坦的，它都只是按照距离最短的路线即“短程线”运动。
如果时空是平坦的，短程线就是直线，这时没有引力，它做的就是匀速直线运动。
如果时空是弯折的，短程线就变成了曲线。
这时在其他观察者看来，这个物体似乎就是在引力的作用下运动——例如地球绕太阳的公转轨道，就是地球在太阳周围的弯曲时空中的短程线。
如果还是没法理解.....再举个简单的例子吧。
太阳好比一个耳根，他往沙发上一坐，就产生一个大坑，那么其他人坐在沙发上时，都会不由自主地被这个大坑陷进去。
在广义相对论中。
不同地方的时空可以具有不同的曲率，所以说时空有了结构。
既然有了结构，自然就可以波动了。
因此根据广义相对论。
引力波应该是一种极其常见的现象，任何不是球对称的物体的加速运动都会产生引力波。
这个概念在理论物理的知名度极广，所以黄昆这次倒是能跟上杨振宁的思路。
随后他眼神微微一动，朝杨振宁问道：
“老杨，不对吧，为什么探测到引力波，就能说是找到了引力子？”
“虽然理论上来说引力波应该具备波粒二象性，但如果从相对论的角度用度规场来对它进行解释，似乎也可以说得通吧？”
“换而言之....二者之间应该没有那种绝对的辅证关系，否则爱因斯坦也不可能支持引力波的存在了。”
波粒二象性。
这个概念最早提出的时候只被用于光子，但后来随着理论发展，已经被推广到了所有的基本粒子。
所以从波的角度进行逆推，一个微观领域的波，同样也应该有对应的微粒。
但是.....
引力波却有些特殊。
早先提及过。
相对论是目前描述引力最完美的一个理论，它只认为宇宙中存在引力场而不存在引力子，引力波的传递依靠的是度规场。
也就是说引力波是张量波，当波穿过某区域时，它会导致空间在垂直方向上收缩和舒张。
这个解释同样能够对引力波进行释意，而且自身可以形成一个良好的闭环生态圈。
用后世的例子来解释就是......
广义相对论相当于苹果的ios系统，标准粒子模型相当于安卓阵营。
ios哪怕不需要和安卓有交集也依旧可以过的很好，甚至在很多情景下可以说是霸主。
代表着标准粒子的安卓阵营则在全体用户上有着优势——也就是标准粒子模型对科技发展的影响要比广相更大，目前二者正处于很焦灼的缠斗局面。
引力波则相当于是一个很重要的软件，ios能支持它，安卓也能支持它。
当然了。
引力子的话就不一样了。
这玩意儿就相当于突然死亡法则，只要被证明或者证伪，广相和标准粒子模型都得凉一个。
“......”
看着有些疑惑的黄昆，杨振宁很快摇了摇头：
“老黄，你再好好想想。”
“我说的可不是普通的引力波，而是....原初引力波。”
“原初引力波？”
黄昆下意识扶了扶眼镜：
“那是啥玩意儿？”
杨振宁想了想，双手在面前做了个手势，解释道：
“老黄，你应该知道，所谓引力波，顾名思义就是引力场的波动，或者说是引力场度规的扰动。”
“这种扰动由于种种情况的干涉或者影响很复杂，就像你爱吃的包子，它从最初的小麦到成品的包子之间，掺杂了很多很多的步骤——比如说脱谷、抹面、发酵等等等等.....”
“引力波同样如此，常规的引力波由于多种情景使然，内部的信息也很复杂，就像你之前说的那样，它可以用标准模型解析，但也可以用广相释意。”
“但如果我们能找到一种时间跨度很长的引力波呢？比如说跨度早到....宇宙早期？”
黄昆顿时一怔。
接着杨振宁继续解释道：
“在极早期宇宙中，能量标度很高，引力的量子效应不可忽略，所以引力场和其他物质场一样会有量子扰动。”
“也就是说当时的引力就是量子态的——当然了，由于引力波是经典效应不是量子效应，所以引力场的这种量子扰动还不能看作是引力波，它只能算是引力波的‘种子’。”
“后来这粒种子随着宇宙暴胀而生长放大，波长被拉长至远大于当时宇宙视界的尺度，它就被经典化，成为了充斥着全宇宙的引力波。”
“而这第一批诞生的引力波，便是原初引力波。”
“一旦我们能够捕捉到原初引力波，那么就可以去逆推极早期宇宙的物理信息，其中便包括了可能存在的引力子。”
杨振宁说完，下意识便与李政道对视了一眼。
他从李政道说出量子系统方程的时候，便知道自己的这位老对头同样想到了原初引力波。
众所周知。
从宇宙学扰动理论出发，可以推导出引力场度规张量扰动h的方程：
d\/dt=ag00c2dt2+ag0jdx0dxj+h+k^2h+gijdxidxj
其中a是宇宙的尺度因子，k是扰动的动量模式，≡d\/dt是对共形时间的导数。
接着通过重定义，可以将其转化为一个变频谐振子方程：
aahμν+aμνh+a′+bημνaβhaβ+b′ημνaah=ktμν
没错。
想必聪明的同学已经看出来了。
从这个方程不难看出，如果宇宙是在暴胀的，即a～1\/t，那么方程将有如下形式的解：
aah+2aβhaβ=kt
可以看到解的虚部正比于宇宙的尺度a，换回最初定义的扰动h，由于扰动h的能量密度虚部p～|虚部|2\/a2，且总能量e～pa3。
可知引力波的总量会随暴胀期间宇宙尺度a的急剧增大而快速增多，这就是原初引力波产生的方式。
或许是想让黄昆能够更好理解自己的想法，杨振宁很快又解释道：
“极早期宇宙的物理信息主要是指宇宙暴胀的具体物理机制，不同的机制形成的原初引力波不尽相同，因此我们可以通过观测原初引力波的特征来判断极早期宇宙的暴胀是如何发生的。”
“具体来说，原初引力波有一个参数叫做张标比r，即原初张量扰动与原初标量扰动强度之比。”
“通常不同的暴胀机制会预言不同的张标比r，只要我们将来探测到原初引力波，获得了张标比r以及另外一个参数谱指数ns的具体数值，就可以去判断宇宙究竟是在什么物理机制的推动下发生暴胀的。”
“宇宙早期的物理机制一搞懂，引力子的问题自然也就迎刃而解了。”
黄昆这才若有所思的点了点头。
原来如此......
宇宙的暴胀理论一直都是个很前沿并且很有热度的课题，不过这玩意儿也是属于信服度很高但长期缺乏证据的一类理论。
如果按照杨振宁所说的这个情况，再结合元强子模型的部分内容，一个迭代的逻辑推论便出现了：
在宇宙大爆炸过程中，原初引力波的产生几乎早于其他任何能量形式，早在电弱作用融合一体、物质与辐射尚未分离的时候就已经存在。
所以原初引力波当属这个宇宙里阅历最丰富，见识最广博的角色，那些早期的经历都已被原初引力波小心地记录下来。
在起初数万年密不透光的“宇宙黑暗时期”，全宇宙的样貌数次巨变。
等到“黑暗时期”结束，第一缕光可以从容射向远方，原初引力波便是最早的见证者.....
同时原初引力波自身也足以论证引子力的真伪——无论引力子是否存在，只要能捕捉到原初引力波，一切的一切就都能得到最终的结论。
想到这里。
黄昆又意识到了什么，皱着眉头对杨振宁问道：
“老杨，按照你的说法，探测原初引力波的设备精度要求应该会很高吧？”
杨振宁坦然的点了点头：
“那是必然的，至少以咱们目前国内...不，哪怕是海对面的设备精度，距离那个要求都差了好些个量级。”
“不过这个精度再怎么高，至少都属于人力可穷的范畴，至少没普朗克尺度那么绝望。”
听闻此言。
一旁的李政道亦是轻轻点了点头。
普朗克长度是1.6x10^-33厘米，普朗克尺度的意思就是单位未必相同，但彼此的能级是一样的。
眼下这个时代设备精度有两种，一是应用物理...也就是生产零部件可以达到的级数，这个级数是10的负六次方米左右。
还有一种是测量精度，可以理解成感应精度，大概在十的负九次方米。
无论是以上二者中的哪一方，和普朗克尺度的差距都有十万八千里......
而原初引力波的探测精度则相对要小一点，毕竟杨振宁他们已经把对应的框架给鼓捣出来了。
接着杨振宁又看向了李政道，今天以来头一次喊出了对方的名字：
“老李，你准备选哪一个？”
李政道微微一怔，不过很快便明白了杨振宁的意思——他是在问自己要选暗物质还是原初引力波来做赌约呢。
暗物质的难度相对低点儿，毕竟它的难点主要在于锁定对应的能级。
虽然这个能级也是目前科技所难达到的水平，但李政道估摸着即便是他认知中的华夏，也应该能在20年内拥有触及这个量级的能力。
而原初引力波嘛......可能需要的时间就比较长了。
别说20年，甚至20年翻个倍的40年，都未必够解决这个问题
“.......”
随后李政道沉默了足足有一分钟左右，方才给出了自己的答案：
“课题上我两个都要，至于判定谁赢的那个成果嘛，就选原初引力波吧。”
杨振宁看了他一眼，反问道：
“你确定？如果是原初引力波，那咱们估摸着就得争上一辈子了。”
李政道坦然的与他对视了几秒钟：
“那就争一辈子吧，争到你我快要入土的时候把恩怨两清，剩下的事情......交给后人去评说就好了。”
.........
注：
定了个行程，一月底身体好了大概会去趟首都，拜访一下杨老，不过只是定了行程而已，所以有些想法现在也不好说，到时候看看吧。
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