自引力波第一次在探測器中被捕捉到時，除了驗證了愛因斯坦的預(yù)言之外，所有人都意識到，引力波天文學(xué)時代的到來將帶給我們無限的可能性。引力波的發(fā)現(xiàn)不僅成為了檢驗廣義相對論的強(qiáng)有力工具，而且為物理學(xué)家驗證一些依舊停留在理論上的奇思妙想帶來了新希望，比如時間旅行和額外維度等等。
下面，我們就來看看兩項跟引力波相關(guān)的最新研究進(jìn)展：
1. 我們離找到第五維度更近了嗎？
在Madeleine L'Engle的經(jīng)典小說《時間的皺折》中描述了幾位人物如何利用隱藏的第五維度從一個地方穿梭到另一個地方。無論是在書中或是即將上映的電影中，這種旅行方式都更偏向于科幻，而非科學(xué)。
○ 電影《時間的皺折》將在今年3月份上映。
宇宙只有四個維度（三維空間+一維時間）是我們所熟悉的，這也符合愛因斯坦的廣義相對論——目前描述引力的最好理論。但是，有一些科學(xué)家試圖對愛因斯坦的引力理論進(jìn)行修正，而在一些特定的模型中的確預(yù)言了額外維度的存在。這些額外的維度會影響引力的運作方式，因此能夠解釋為什么引力的強(qiáng)度要弱于其它三種基本力（電磁力和兩種核力）。
但是，我們要怎么探測額外的維度呢？其中一個方法就是分析2017年由LIGO和Virgo聯(lián)合觀測到的雙中子星合并事件中輻射出的引力波的數(shù)據(jù)。
在日常生活中，我們只能感受到空間中的三維（上下、左右、前后）和時間維度；如果第五維存在，那么它也肯定很好的隱藏了自己。這使得我們必須進(jìn)入非常小的尺度（粒子物理學(xué)和弦理論的領(lǐng)域）或非常大的尺度（LIGO可探測的范圍）才能夠找到它們的痕跡。
我們知道宇宙正在膨脹，而且是加速膨脹。導(dǎo)致加速膨脹的幕后推手被稱為“暗能量”。有一些物理學(xué)家認(rèn)為宇宙中或許有一個或多個額外的維度只有在非常大的尺度下才能顯現(xiàn)，并且導(dǎo)致了宇宙的加速。在這些理論中，光和物質(zhì)被限制在我們所熟悉的四維中，但是引力卻可以“側(cè)漏”進(jìn)其他的維度。因此，當(dāng)我們看的越遠(yuǎn)的時候，引力會變得稍微弱一點，但光不會受到額外維度的影響。
問題是，我們很難在非常大的尺度下檢驗引力。但是，引力會產(chǎn)生引力波——在時空中以光速傳播的漣漪。1.3億年前，當(dāng)時的地球正被恐龍統(tǒng)治，第一朵花也剛剛演化，在遙遠(yuǎn)的深空中兩顆中子星相遇并產(chǎn)生了引力波。經(jīng)歷了漫長時間的旅行，該引力波于2017年被LIGO和Virgo同時探測到。此外，其它的望遠(yuǎn)鏡也觀測到了此次合并輻射出的光，這意味著天文學(xué)家可以用兩個不同的方式去研究同一事件。
如果引力會側(cè)漏到額外的維度中，那么觀測到的引力波的振幅會被削弱。這會使輻射源看起來好像是在更遙遠(yuǎn)的位置，就好比是微弱的光線可能是來自暗淡的手電筒，又或者來自遙遠(yuǎn)明亮的光源。光信號的亮度和引力波信號的強(qiáng)度是兩種測量合并的中子星的距離的不同手段。
○ 圖片來源：THE DAILY BEAST
1月24日，研究人員將他們的結(jié)果發(fā)表在arXiv[1]，結(jié)果顯示：(引力波的光度距離)=(光的亮度距離)^γ，這里γ = (D-2)/2 = 1.01 或 0.99，也就意味著引力波是在 D = 3+1 時空維度中傳播，再次驗證了廣義相對論。
這是否意味著第五維度并不存在？論文的第一作者Kris Pardo表示：“這個結(jié)果并不一定就排除了額外維度，比如弦理論?！?弦理論預(yù)言了在宇宙中還存在了七個額外的維度，并卷曲起來，這些卷曲維度的直徑比原子核還小。因此無法在引力波中顯示出可觀測的效應(yīng)。又或者，正如Pardo在論文中指出，如果額外維度的大小要高于6.5億光年，那么也超過了LIGO所能測量的范圍。也就是說，宇宙中依舊可能存在非常大的額外維度，只是LIGO和Virgo都還沒有達(dá)到他們巔峰狀態(tài)。在他們進(jìn)一步升級后，所能探測到的距離是現(xiàn)在的10倍，意味著未來檢驗額外維度是否存在的精確度也將提升10倍。
無論如何，宇宙中是否有額外維度，引力波將或許是找到答案的關(guān)鍵。
接下來我們要講的一項新研究則跟還未發(fā)現(xiàn)的“原初引力波”有關(guān)。
2. 扭曲的引力波會產(chǎn)生暗物質(zhì)嗎？
根據(jù)粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，在宇宙大爆炸之后應(yīng)該產(chǎn)生等量的物質(zhì)和反物質(zhì)?？墒聦嵤恰?strong>反物質(zhì)在宇宙中無處可尋。解開反物質(zhì)的失蹤之謎，或許能幫助我們找出另一個未解的謎團(tuán)——暗物質(zhì)。而解決的辦法就涉及到一個與引力波有關(guān)的跌宕起伏的故事。
物理學(xué)家認(rèn)為在最初的過程中，物質(zhì)的產(chǎn)生會稍稍多余反物質(zhì)。當(dāng)物質(zhì)與反物質(zhì)相遇時便會湮滅。因此多余的物質(zhì)就形成了我們現(xiàn)在看到的恒星和星系。但這種正反物質(zhì)的不對稱性是如何發(fā)生的呢？
在之前的眾多備選答案中，其中一種涉及到中微子粒子，它有一個叫做“手性（chirality）”的性質(zhì)，這是一個用來描述中微子扭曲方式的術(shù)語。一般來說，粒子既可以是左手性也可以是右手性的，但中微子只有左手性。
布朗大學(xué)的物理學(xué)家 Evan McDonough 受此啟發(fā)，他想到如果這種手性的不對稱性不僅限于粒子的話，會發(fā)生什么？他發(fā)現(xiàn)如果嬰兒時期的宇宙中的產(chǎn)生的引力波具有偏向手性的話，那么這也可能導(dǎo)致物質(zhì)多余反物質(zhì)。 McDonough 解釋說：“產(chǎn)生手性引力波的機(jī)制有很多，所有的這些機(jī)制都能導(dǎo)致物質(zhì)-反物質(zhì)的不對稱?！?（宇宙早期產(chǎn)生引力波被稱為“原初引力波”，至今還未被觀測到，1月19日，中國的科學(xué)家在《物理評論快報》發(fā)表了一篇關(guān)于一類獨特的暴脹模型產(chǎn)生的原初引力波信號有望在將來被LIGO探測到[2]。）
○ 引力波是左手性還是右手性？|
○ 引力波是左手性還是右手性？| 圖片來源：Henze/NASA
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