引力|大爆炸之前就存在引力吗？
正如故事所说 ， 艾萨克·牛顿爵士坐在一棵树下思考自己的事情 ， 当一个苹果莫名其妙地掉在他的头上时 ， 这位科学家非但没有诅咒这棵树的危险行为 ， 反而怀疑：是什么使苹果掉了下来？为什么苹果没有升上去呢？是什么导致它撞到自己头上 ， 而不是简单地飘向云层？是什么力量把它拉下来？他推测一定有什么奇怪的东西在起作用 。 这一思路最终导致了物理学中最重要的发现之一——引力 。
今天 ， 我们全心全意、无条件地接受引力的存在 。 是引力让我们所有人都站在地面上 。 这种力量确保我们坚定地停留在地球上 ， 而不是漂向太空 。 从跳伞到蹦极再到过山车 ， 所有这些令人兴奋的运动都是引力的功劳 。 甚至行星围绕太阳的运动 ， 月球围绕地球的旋转 ， 以及天体的形成都是由于引力的持续作用而发生的 。
但是 ， 引力真的一直存在吗？时间之前是怎样的呢？在时空出现之前呢？在大爆炸之前就已经出现了吗？为了回答这些问题 ， 我们需要了解一些基本的概念 。
引力是什么？
根据艾萨克·牛顿爵士的观点 ， 引力是存在于任何两个物体之间的吸引力——天体或其他物体 。 宇宙中的每一个物体都在对其他物体施加引力 ， 其强度与物体的质量成正比 。
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【引力|大爆炸之前就存在引力吗？】牛顿发现引力背后的故事（图片来源：比哈·戈兰/沙特·斯道克）
例如 ， 当牛顿坐在那棵树下 ， 苹果落在他的头上时 ， 苹果对地球施加了引力 ， 但由于地球质量更高 ， 因此在这场拔河中获胜 。 事实上 ， 我们的星球自远古以来就一直在与我们所有人的拔河比赛中获胜 。 这让我们想到一个问题 ， 这场拔河比赛是在大爆炸之前和期间出现的吗？
大爆炸
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大爆炸的阶段（图片来源：塔沙莱克斯/福托利亚）
根据著名科学家斯蒂芬·霍金的说法 ， 宇宙中的所有物质都在自己的顶部被折叠和压缩 ， 被限制在一个极其微小的空间上 。 这个具有无限密度和温度的空间被称为引力奇点 。 在字面意思里 ， 它包含了宇宙的所有质量 ， 是一个热而致密的球 ， 大小相当于一个人头 。 这一质量膨胀得像一个巨大的气球 ， 膨胀速度比光速还快 ， 这种现象被称为大爆炸 。
现在你们可能在想 ， 等一下……比光速还快？
你们可能已经听过无数次了 ， 没有什么比光速更快的了 。 你是对的 。 爱因斯坦的相对论认为光速是恒定的 ， 但这一定理只对穿越时空的物体有效 。
在大爆炸的情况下 ， 会与穿越时空存在区别：宇宙的爆炸意味着空间本身的扩展 ， 而不是质量通过空间的移动 。 例如 ， 想象空间是一艘船 ， 宇宙中所有的物体都是这艘船上的乘客 。 爱因斯坦的相对论指出 ， 船上所有乘客的限速是光速 。 船上的任何人的运动都不能超越光速 。
然而 ， 爱因斯坦的理论并没有提到飞船本身的速度 。 这艘船可以比光速更快地移动 ， 而且它本身仍然保持着速度限制 。 因此 ， 在不违反任何物理定律的情况下 ， 大爆炸创造了我们今天居住的宇宙 。
引力出现在大爆炸之前？
让我们把时钟倒转到大爆炸前一秒 ， 停在历史的车轮开始转动之前 。 如前所述 ， 整个宇宙被限制在一个极小的空间中 ， 称为奇点 。 它的周围空无一物 。 问题是 ， 整个宇宙是如何设法保持在这样一个受限的空间内的？一定有某种力量将其凝聚在一起 。
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艺术家对宇宙大爆炸前几秒钟的印象（奇点）（照片来源：沃尔/沙特斯道克）
在这种情况下 ， 最明显的答案就是重力 。 一个无限大的引力施加于所有的物质上 ， 使所有的宇宙都保持在引力奇点中 。 当然 ， 这只是个理论 。
奇点的概念只是基于爱因斯坦的相对论提出的 ， 是对大爆炸之前存在的物质的解释之一 。 一些科学家批评了这一观点 ， 因为它没有考虑量子力学 。 当我们测量比人类头发宽度小一百万倍的粒子时 ， 我们进入了量子领域 ， 这可能不一定受传统物理定律的制约 。
基本上说 ， 大爆炸之前的任何时间都有点模糊 。 无论我们预测大爆炸之前的什么时间 ， 都是一个近似值 ， 永远不能100%准确 。 然而 ， 我们所能做的是在大爆炸的第一时间——当所有的时空都爆发出来时——做一个更知情的预测 。
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引力波
爱因斯坦声称 ， 人们可以通过寻找引力波来证明大爆炸期间引力的存在 。 这些波可以理解为由宇宙中一些最剧烈和最有活力的事件产生的涟漪 。
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由宇宙中的灾难性事件引起的涟漪（图片来源：NASA）
爱因斯坦的理论表明 ， 巨大的灾难性事件可能破坏时空结构 ， 并产生辐射“波” 。 事件越剧烈 ， 破坏就越大 ， 引力波也就越大 。 什么是比大爆炸本身更大的宇宙学事件？当然 ， 宇宙以比光更快的速度膨胀也会导致相当强的引力波 。
然而 ， 由于宇宙已经超过140亿年了 ， 探测到一个可能在很久以前发生的事件的涟漪几乎是不可能的 。 需要一些极其敏感的设备才能检测到这些古老的涟漪 。 事实上 ， 很久之前起源于大爆炸的引力波会降低大约十亿倍的强度 。 科学家声称 ， 这种旧波造成的破坏将小于原子核的破坏力 。
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利戈——这项实验一劳永逸地证明了这一点
直到2015年 ， 探测引力波才成为可能 。 2015年9月14日 ， 利戈——一个致力于观察引力波的实验室——成功地与引力波进行了物理接触 。 他们的敏感仪器能够检测到13亿光年以外两个黑洞碰撞造成的轻微破坏！
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利戈实验室经营两个探测器地点 ， 一个在华盛顿东部汉福德附近 ， 另一个在路易斯安那州利文斯顿附近 。这张照片显示了利文斯顿探测器的位置（图片来源：加州理工学院/维基媒体）
利戈检测引力波的实验最终给出了引力波存在的证明 。 这种具体的证据使科学界能够推断出由第一次灾难性事件——大爆炸引起的这些涟漪的存在 。 同样的探测器正在等待着捕捉大约140亿年前起源于大爆炸的第一次引力波 。 因此 ， 我们可以合理地确定 ， 引力确实存在于大爆炸中 ， 这具有140亿年历史的涟漪的最初迹象最终会支持这一观点 。
另一方面 ， 引力是否存在于大爆炸发生时刻之前 ， 仍然不能决定性地证实 ， 因为我们还没有找到一个明确的理论来解释宇宙出现在时空之前 。 我们可能不得不等待下一个爱因斯坦提出一套新的开创性方程 ， 这些方程可以解释宇宙的状态和“空间”的概念 。
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大爆炸之前的引力
自大爆炸以来 ， 引力一直是宇宙中最基本的力量 。 如前所述 ， 它的强度取决于物体的质量 。 我们自身可能无法像地球那样强大地发挥引力场的作用 ， 但我们是带着自己的个人引力场走来走去的 ， 与世界上的每一个其他物体相互作用 。 这提醒我们 ， 我们真的都是相互联结的！
作者：sciabc - John Staughton
FY：董美慧
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