引力波暗示了一个关于大爆炸的“超冷”秘密
两个合并的星系在时空中产生引力波的示意图。（图片来源：uux.cn/NASA/CXC/A.Hobart）
（神秘的地球uux.cn）据美国太空网（Robert Lea）：2023年，物理学家们惊奇地发现，在空间和时间的结构中，几乎察觉不到的涟漪——统一为一个被称为时空的实体。它们是与被称为“脉冲星计时阵列”的快速旋转中子星集合相关联的涟漪
宇宙中这种低频的引力波背景嗡嗡声最初被归因于大爆炸后不久发生的变化或“相变”。然而，新的研究对这一假设提出了质疑。
西安交通大学助理教授Andrew Fowlie在一份声明中说：“理论家和实验学家推测，纳米赫兹引力波起源于宇宙大爆炸后不久发生的已知跃迁，这种跃迁产生了所有已知基本粒子的质量。”。“然而，我们的工作揭示了对其起源的解释存在严重问题。”
相变是物质性质的突然变化，通常发生在特定物质达到临界温度时。相变可能对我们来说最熟悉的是当温度降至冰点以下时，水转变为冰。还有所谓的“过冷”转变。对于水，当物质“卡”在液相中时，会发生过冷转变，减缓其转化为冰的速度。
许多科学家认为，在时间的一开始就发生了“一阶相变”，引发了引力波或时空涟漪的发射。因此，专家们认为，这些波可以用来确定我们宇宙中第一个快速膨胀时期存在的条件，甚至可能是大爆炸之前存在的条件。
只是一个阶段？
引力波的概念可以追溯到阿尔伯特·爱因斯坦1915年的引力理论，即“广义相对论”。这位伟大的物理学家的巨著理论预测，具有质量的物体对时空结构具有扭曲效应。该理论指出，我们对引力的物理体验就是从这种扭曲中产生的。
广义相对论也超越了这一点，它还表明，当物体加速时，它们会在时空中产生涟漪，也就是引力波。尽管当涉及到我们在地球上看到的物体加速时，这种现象可以忽略不计，但当加速涉及超大质量黑洞和中子星等巨大的宇宙物体时，这种影响就会变得显著。
例如，当这些物体存在于双星系统中时——这意味着其中两个物体不断地相互加速——它们不断地发射引力波，直到最终碰撞并发出这些涟漪的高音“尖叫”。
此外，引力波和电磁辐射一样，有一个频率范围。高频引力波，就像高频光一样，波长更短，能量更大；低频引力波的波长较长，能量较低。低频长波引力波也有很长的“周期”，指的是波的一个峰值通过设定点到下一个峰值经过该点之间的时间。
引力波谱图。（图片来源：uux.cn美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心）
2023年6月，北美纳米赫兹引力波天文台（NANOGrav）脉冲星定时阵列检测到的引力波频率低于激光干涉仪引力波天文台、VIRGO和KAGRA常规检测到的超大质量黑洞和中子星合并产生的引力波。
这意味着这些低频纳赫兹引力波一定有不同的来源。主要嫌疑人？大爆炸后的相变，确切地说是过冷相变。
Fowlie解释说：“我们发现，要产生频率如此之小的波，这种转变必须是过冷的。”。
然而，有一个问题。在大爆炸引发的快速宇宙膨胀（换句话说，宇宙膨胀）期间，这种宇宙过冷过渡阶段会有点出乎意料。
Fowlie说：“这些缓慢的转变将很难完成，因为转变速率比宇宙的膨胀速率慢。”。“如果过渡在最后加速怎么办？我们计算出，即使这有助于过渡结束，它也会使波的频率从纳赫兹移开。”
研究人员还补充说，尽管纳赫兹引力波很冷，但它们的起源可能不是“过冷”的。
Fowlie说：“如果这些引力波确实来自一阶相变，我们现在知道一定有一些新的、更丰富的物理学正在进行——我们还不知道的物理学。”。
艺术家对一系列脉冲星受到遥远星系中超大质量黑洞双星产生的引力涟漪影响的解释。（图片来源：uux.cn/Aurore Simonnet/NANOGrav）
Fowlie及其同事认为，他们的研究表明，需要更多的关注来了解过冷相变，尤其是那些可能发生在宇宙起源时的相变。
他说：“因为这些必然是缓慢的过渡，所以通常对过渡是否完成的简化是行不通的。”。“跃迁的能量尺度和波的频率之间的联系有很多微妙之处，因此在考虑引力波和过冷跃迁时，我们需要更仔细和更复杂的技术。
“了解这个领域将有助于我们了解关于宇宙起源的最基本问题。”
更好地理解过冷相变也有助于理解更多的地球相变和更少的宇宙相变。
Fowlie总结道：“它还与离家更近的应用程序有关，例如了解水如何流过岩石、过滤咖啡的最佳方法以及野火如何传播。”。
该团队的研究在《物理评论快报》杂志上发表的一篇论文中进行了讨论。
