正如故事所說，艾薩克·牛頓爵士坐在一棵樹下思考自己的事情，當(dāng)一個蘋果莫名其妙地掉在他的頭上時，這位科學(xué)家非但沒有詛咒這棵樹的危險行為，反而懷疑：是什么使蘋果掉了下來？為什么蘋果沒有升上去呢？是什么導(dǎo)致它撞到自己頭上，而不是簡單地飄向云層？是什么力量把它拉下來？他推測一定有什么奇怪的東西在起作用。這一思路最終導(dǎo)致了物理學(xué)中最重要的發(fā)現(xiàn)之一——引力。

今天，我們?nèi)娜?、無條件地接受引力的存在。是引力讓我們所有人都站在地面上。這種力量確保我們堅(jiān)定地停留在地球上，而不是漂向太空。從跳傘到蹦極再到過山車，所有這些令人興奮的運(yùn)動都是引力的功勞。甚至行星圍繞太陽的運(yùn)動，月球圍繞地球的旋轉(zhuǎn)，以及天體的形成都是由于引力的持續(xù)作用而發(fā)生的。

但是，引力真的一直存在嗎？時間之前是怎樣的呢？在時空出現(xiàn)之前呢？在大爆炸之前就已經(jīng)出現(xiàn)了嗎？為了回答這些問題，我們需要了解一些基本的概念。

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引力是什么？

根據(jù)艾薩克·牛頓爵士的觀點(diǎn)，引力是存在于任何兩個物體之間的吸引力——天體或其他物體。宇宙中的每一個物體都在對其他物體施加引力，其強(qiáng)度與物體的質(zhì)量成正比。

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牛頓發(fā)現(xiàn)引力背后的故事（圖片來源：比哈·戈蘭/沙特·斯道克）

例如，當(dāng)牛頓坐在那棵樹下，蘋果落在他的頭上時，蘋果對地球施加了引力，但由于地球質(zhì)量更高，因此在這場拔河中獲勝。事實(shí)上，我們的星球自遠(yuǎn)古以來就一直在與我們所有人的拔河比賽中獲勝。這讓我們想到一個問題，這場拔河比賽是在大爆炸之前和期間出現(xiàn)的嗎？

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大爆炸

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大爆炸的階段（圖片來源：塔沙萊克斯/福托利亞）

根據(jù)著名科學(xué)家斯蒂芬·霍金的說法，宇宙中的所有物質(zhì)都在自己的頂部被折疊和壓縮，被限制在一個極其微小的空間上。這個具有無限密度和溫度的空間被稱為引力奇點(diǎn)。在字面意思里，它包含了宇宙的所有質(zhì)量，是一個熱而致密的球，大小相當(dāng)于一個人頭。這一質(zhì)量膨脹得像一個巨大的氣球，膨脹速度比光速還快，這種現(xiàn)象被稱為大爆炸。

現(xiàn)在你們可能在想，等一下……比光速還快？

你們可能已經(jīng)聽過無數(shù)次了，沒有什么比光速更快的了。你是對的。愛因斯坦的相對論認(rèn)為光速是恒定的，但這一定理只對穿越時空的物體有效。

在大爆炸的情況下，會與穿越時空存在區(qū)別：宇宙的爆炸意味著空間本身的擴(kuò)展，而不是質(zhì)量通過空間的移動。例如，想象空間是一艘船，宇宙中所有的物體都是這艘船上的乘客。愛因斯坦的相對論指出，船上所有乘客的限速是光速。船上的任何人的運(yùn)動都不能超越光速。

然而，愛因斯坦的理論并沒有提到飛船本身的速度。這艘船可以比光速更快地移動，而且它本身仍然保持著速度限制。因此，在不違反任何物理定律的情況下，大爆炸創(chuàng)造了我們今天居住的宇宙。

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引力出現(xiàn)在大爆炸之前？

讓我們把時鐘倒轉(zhuǎn)到大爆炸前一秒，停在歷史的車輪開始轉(zhuǎn)動之前。如前所述，整個宇宙被限制在一個極小的空間中，稱為奇點(diǎn)。它的周圍空無一物。問題是，整個宇宙是如何設(shè)法保持在這樣一個受限的空間內(nèi)的？一定有某種力量將其凝聚在一起。

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藝術(shù)家對宇宙大爆炸前幾秒鐘的印象（奇點(diǎn)）（照片來源：沃爾/沙特斯道克）

在這種情況下，最明顯的答案就是重力。一個無限大的引力施加于所有的物質(zhì)上，使所有的宇宙都保持在引力奇點(diǎn)中。當(dāng)然，這只是個理論。

奇點(diǎn)的概念只是基于愛因斯坦的相對論提出的，是對大爆炸之前存在的物質(zhì)的解釋之一。一些科學(xué)家批評了這一觀點(diǎn)，因?yàn)樗鼪]有考慮量子力學(xué)。當(dāng)我們測量比人類頭發(fā)寬度小一百萬倍的粒子時，我們進(jìn)入了量子領(lǐng)域，這可能不一定受傳統(tǒng)物理定律的制約。

基本上說，大爆炸之前的任何時間都有點(diǎn)模糊。無論我們預(yù)測大爆炸之前的什么時間，都是一個近似值，永遠(yuǎn)不能100%準(zhǔn)確。然而，我們所能做的是在大爆炸的第一時間——當(dāng)所有的時空都爆發(fā)出來時——做一個更知情的預(yù)測。

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引力波

愛因斯坦聲稱，人們可以通過尋找引力波來證明大爆炸期間引力的存在。這些波可以理解為由宇宙中一些最劇烈和最有活力的事件產(chǎn)生的漣漪。

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由宇宙中的災(zāi)難性事件引起的漣漪（圖片來源：NASA）

愛因斯坦的理論表明，巨大的災(zāi)難性事件可能破壞時空結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生輻射“波”。事件越劇烈，破壞就越大，引力波也就越大。什么是比大爆炸本身更大的宇宙學(xué)事件？當(dāng)然，宇宙以比光更快的速度膨脹也會導(dǎo)致相當(dāng)強(qiáng)的引力波。

然而，由于宇宙已經(jīng)超過140億年了，探測到一個可能在很久以前發(fā)生的事件的漣漪幾乎是不可能的。需要一些極其敏感的設(shè)備才能檢測到這些古老的漣漪。事實(shí)上，很久之前起源于大爆炸的引力波會降低大約十億倍的強(qiáng)度?？茖W(xué)家聲稱，這種舊波造成的破壞將小于原子核的破壞力。

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利戈——這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)一勞永逸地證明了這一點(diǎn)

直到2015年，探測引力波才成為可能。2015年9月14日，利戈——一個致力于觀察引力波的實(shí)驗(yàn)室——成功地與引力波進(jìn)行了物理接觸。他們的敏感儀器能夠檢測到13億光年以外兩個黑洞碰撞造成的輕微破壞！

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利戈實(shí)驗(yàn)室經(jīng)營兩個探測器地點(diǎn)，一個在華盛頓東部漢福德附近，另一個在路易斯安那州利文斯頓附近。 這張照片顯示了利文斯頓探測器的位置（圖片來源：加州理工學(xué)院/維基媒體）

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利戈檢測引力波的實(shí)驗(yàn)最終給出了引力波存在的證明。這種具體的證據(jù)使科學(xué)界能夠推斷出由第一次災(zāi)難性事件——大爆炸引起的這些漣漪的存在。同樣的探測器正在等待著捕捉大約140億年前起源于大爆炸的第一次引力波。因此，我們可以合理地確定，引力確實(shí)存在于大爆炸中，這具有140億年歷史的漣漪的最初跡象最終會支持這一觀點(diǎn)。

另一方面，引力是否存在于大爆炸發(fā)生時刻之前，仍然不能決定性地證實(shí)，因?yàn)槲覀冞€沒有找到一個明確的理論來解釋宇宙出現(xiàn)在時空之前。我們可能不得不等待下一個愛因斯坦提出一套新的開創(chuàng)性方程，這些方程可以解釋宇宙的狀態(tài)和“空間”的概念。

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大爆炸之前的引力

自大爆炸以來，引力一直是宇宙中最基本的力量。如前所述，它的強(qiáng)度取決于物體的質(zhì)量。我們自身可能無法像地球那樣強(qiáng)大地發(fā)揮引力場的作用，但我們是帶著自己的個人引力場走來走去的，與世界上的每一個其他物體相互作用。這提醒我們，我們真的都是相互聯(lián)結(jié)的！

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作者：sciabc - John Staughton

FY：董美慧

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