光是如何产生的：在早期宇宙中，引力可能产生光
宇宙中的光是如何诞生的？这是一个困扰了人类数千年的问题。我们知道，光是由一种叫做光子的粒子组成的，它们没有质量，只有能量。我们也知道，光可以从各种物质中发射出来，比如太阳、星星、火焰、灯光等。但是，光还有没有其他的来源呢？有没有可能，光是由宇宙中最神秘的力量之一——引力产生的呢？
这听起来似乎很荒谬，因为我们通常认为，引力只能影响有质量的物体，而光子是没有质量的。然而最近，一篇新的理论论文发现，在早期宇宙中，引力可能能够产生光。这一发现令人震惊，也许会颠覆我们对宇宙和物理的认识。
这篇论文是由一组理论物理学家在发表在预印本数据库arXiv上的，题目是“通过参量共振将引力子转换为光子”。论文的作者们提出了一个新的框架，将引力和电磁相互作用融合在一起，导致引力子（引力作用的量子载体）转化为光子（电磁作用的量子载体）。这种现象发生在特定的条件下，例如在大质量天体如黑洞和中子星附近存在强烈的引力场。
要理解这个过程，我们需要先了解一些基本的物理概念。在正常情况下，你不能从无到有。具体来说，粒子物理学的标准模型，即解释粒子亚原子动物园的主导理论，通常禁止将无质量粒子转化为大质量粒子。虽然标准模型中的粒子通过各种反应和过程不断变化，但光子——光的无质量载体——通常不能变成其他粒子。但是，如果条件恰到好处，这是可能的——例如，当光子与重原子相互作用时，它可以自发分裂成电子和正电子，这两者都是大质量粒子。这种现象叫做康普顿效应，是量子电动力学的一个重要结果。
有了这个众所周知的例子，论文的作者们就问了一个更大胆的问题：引力本身是否可以转化为其他粒子？我们通常通过广义相对论的视角来思考引力，其中时空中的弯曲和扭曲会影响粒子的运动。在那张照片中，很难想象重力如何产生粒子。但我们也可以通过量子透镜观察引力，想象无数称为引力子的不可见粒子所携带的引力。虽然我们对量子引力的了解还远未完成，但我们确实知道这些引力子的行为就像任何其他基本粒子一样，包括潜在的转变。
为了验证这一想法，研究人员研究了极早期宇宙的条件。当我们的宇宙还很年轻的时候，它也是小的、热的、密集的。在那个年轻的宇宙中，所有形式的物质和能量都被提升到难以想象的规模，甚至远远超过我们最强大的粒子对撞机所能达到的规模。这个时期叫做普朗克时代，它是宇宙大爆炸之后的最初一段时间，大约持续了10的-43方秒。
研究人员发现，在这种设置中，引力波起着重要作用。通常，引力波非常微弱，能够推动原子通过小于其自身原子核宽度的距离。但在早期的宇宙中，波浪可能要强得多，这可能会严重影响其他一切。那些早期的波浪会来回晃动，放大自己。宇宙中的其他任何东西都会被波浪的推拉所吸引，从而产生共振效应。就像一个孩子在正确的时间抽出他们的腿，使秋千越来越高一样，引力波会起到泵的作用，一遍又一遍地将物质推入紧密的团块。这种现象叫做参量共振，是一种非线性动力学的效应。
引力波也可能影响电磁场。因为波本身就是时空的涟漪，所以它们并不局限于与大质量物体的相互作用。随着波继续泵送，它们可以将宇宙中的辐射驱动到极高的能量，导致光子的自发出现：引力产生光本身。这就是论文的主要结果，它表明了引力和电磁之间的一个新的联系，也许会为量子引力的理论提供一些线索。
研究人员发现，一般来说，这个过程效率相当低下。早期的宇宙也在膨胀，所以引力波的标准模式不会持续很长时间。然而，研究小组发现，如果早期宇宙包含足够多的物质，以至于光速降低（就像光在空气或水等介质中传播得更慢一样），这些波可能会停留足够长的时间，从而真正让事情发生，产生大量额外的光子。这种情况可能发生在暴涨时期，它是宇宙大爆炸之后的另一个阶段，大约持续了10的-32方秒，期间宇宙以超过光速的速度膨胀了。
物理学家还没有完全理解早期宇宙复杂、纠结的物理学，它能够实现此后从未观察到的壮举。这项新研究为丰富的挂毯增添了另一条线：引力产生光的的能力。据推测，这种辐射将继续影响物质的形成和宇宙的演化，因此，弄清楚这一令人惊讶的过程的全部含义可能会导致我们对宇宙最早时刻的理解发生新的革命。
这篇论文的作者们并不是第一个提出引力和光之间的联系的人。事实上，爱因斯坦在1911年就预言了一种现象，叫做引力透镜，它是指引力场可以弯曲光线，从而使远处的天体看起来更大或更亮。这一预言在1919年得到了实验验证，也是爱因斯坦广义相对论的一个重要证据。从那以后，引力透镜已经成为了天文学家的一个强大的工具，可以用来观测遥远的星系、星系团、甚至宇宙背景辐射。
除了引力透镜，还有一些其他的现象，也表明了引力和光之间的相互作用。例如，引力红移，它是指光从一个强引力场中逃逸出来时，其波长会变长，频率会变低，从而导致光的颜色变红。这一现象在1960年被实验观测到，也是广义相对论的一个预言。另一个例子是引力波，它是指由于大质量物体的加速运动而产生的时空扭曲，它们可以在宇宙中传播，就像水面上的波浪一样。引力波的存在在1974年被间接证实，2015年被直接探测到，也是广义相对论的一个重大成就。
这些现象都是在宏观尺度上观察到的，它们涉及到的是强引力场和高能量的物体。然而，论文的作者们关注的是在微观尺度上发生的，它们涉及到的是量子引力和低能量的粒子。这是一个更加困难和神秘的领域，因为我们还没有一个完整的理论来描述它。目前，我们只有一些不同的理论候选，比如弦理论，环面量子引力，非交换几何等，它们都试图将引力和其他三种基本相互作用（强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用）统一在一个框架中。
这些理论都有各自的优点和缺点，也都有各自的预言和挑战。论文的作者们使用的是一种叫做非交换几何的理论，它是一种将时空的结构推广到非对易代数的数学方法。这种理论可以解释一些标准模型中的奇怪现象，比如中微子振荡，它是指中微子在不同的类型之间转换的现象。它也可以预测一些新的现象，比如引力子转换为光子，这就是论文的主题。
这篇论文的结果是非常有趣和有意义的，它为我们理解引力和光之间的关系提供了一个新的视角。然而，它也有一些局限性和不确定性，需要进一步的研究和验证。