發(fā)現(xiàn)引力波：整個(gè)宇宙在顫動(dòng)

2月11日，加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院以及“激光干涉引力波天文臺(tái)”的研究人員在華盛頓舉行記者會(huì)，宣布他們探測到引力波的存在。引力波是愛因斯坦廣義相對(duì)論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中最后一塊缺失的“拼圖”。

什么是引力波？

很多人都聽說過愛因斯坦的廣義相對(duì)論，但并不知道它講了什么。事實(shí)上，廣義相對(duì)論的很多推論是人們的直覺無法理解的。比如這一項(xiàng)——引力的定義。

既然稱之為引力波，它必然與引力有關(guān)。所以，在更深一步了解引力波之前，我們需要了解一下人類對(duì)于引力的認(rèn)識(shí)過程。17世紀(jì)末的物理學(xué)家牛頓看到了下落的蘋果，意識(shí)到物體之間普遍存在的一種力，稱之為“引力”，并且將其數(shù)學(xué)化，這就是我們熟知的——萬有引力。

萬有引力認(rèn)識(shí)的精髓是物體質(zhì)量的存在導(dǎo)致了引力，這在牛頓之后的兩百多年里被認(rèn)為是宇宙間的絕對(duì)真理。直到1905年狹義相對(duì)論發(fā)表，再到1915年廣義相對(duì)論的發(fā)表，愛因斯坦提出了一種完全不同的對(duì)于引力的看法，引力是因?yàn)橘|(zhì)量對(duì)于時(shí)空造成了變形所導(dǎo)致，而非質(zhì)量之間的吸引。在廣義相對(duì)論中，引力被歸咎于時(shí)空的彎曲。它的意思是，我們平時(shí)看到的空間貌似是平直的，但真實(shí)的情況中，卻是像哈哈鏡里一樣扭曲的。這種扭曲是物質(zhì)造成的，質(zhì)量越大，扭曲就越大。這就意味著，我們時(shí)空可被當(dāng)做一種可以變形的介質(zhì)來認(rèn)識(shí)。所以引力波，簡單來說，就是時(shí)空自身的波動(dòng)。相比較我們熟知的無線電波（或者電磁波），它僅僅是在時(shí)空之中傳播的，時(shí)空是它的媒介。

人們常說“星辰大?！?，如果將時(shí)空視作海洋，那么天體就如同海洋生物一般。可以想象，如果大海中的某個(gè)生物搖了搖尾巴、或是晃了晃頭，海水由此所產(chǎn)生的波動(dòng)就會(huì)向外傳播。與此類似，宇宙中某個(gè)天體的劇烈活動(dòng)，會(huì)對(duì)所在的時(shí)空產(chǎn)生擾動(dòng)，時(shí)空自身的波動(dòng)也會(huì)向遠(yuǎn)處傳播，如果足夠強(qiáng)，就能夠?yàn)榈厍蛏系奈覀兯兄?/p>

在引力的世界中，我們的宇宙通常是平靜的?？墒窃诒本r(shí)間2015年9月14日17點(diǎn)50分45秒，地球上的LIGO探測器卻探測到了來自于宇宙深處距離地球13億光年之外的一場引力風(fēng)暴，來自于一個(gè)雙黑洞系統(tǒng)的合并，以它的探測日期命名為GW150914。

兩個(gè)黑洞的“火拼”

此次發(fā)布會(huì)的另外一個(gè)亮點(diǎn)就是雙黑洞。這也是人們首次直接發(fā)現(xiàn)雙黑洞，這兩個(gè)黑洞的質(zhì)量分別為26和39太陽質(zhì)量，屬于恒星級(jí)黑洞。或許你已經(jīng)聽膩了黑洞，生活中時(shí)不時(shí)的會(huì)聽到某某黑洞爆發(fā)了，某某黑洞吞吃恒星。但是這此發(fā)現(xiàn)卻有些不同，兩個(gè)天體都是黑洞，互相繞轉(zhuǎn)，最后合并。這聽起來像是一場黑吃黑的火拼，甚至有點(diǎn)兒像港片里熟悉的火爆場面。黑洞合并產(chǎn)生了非常強(qiáng)烈的時(shí)空振蕩，所以我們遙遠(yuǎn)的地球才觀測到了。

黑洞通常認(rèn)為是大質(zhì)量（超過25個(gè)太陽質(zhì)量）的恒星在其演化的最終階段，恒星中心會(huì)形成我們了解的恒星級(jí)黑洞。它們的質(zhì)量通常預(yù)計(jì)在3個(gè)太陽質(zhì)量到100個(gè)太陽質(zhì)量之間。因?yàn)楹诙幢旧頉]有任何的輻射，所以我們不能直接看到黑洞。我們的銀河系或者其他類似的星系當(dāng)中，每個(gè)星系都預(yù)計(jì)存在著上千萬個(gè)恒星級(jí)黑洞，但是絕大多數(shù)的黑洞都是孤獨(dú)存在的天體，如同幽靈般，沒有任何輻射或者輻射及其微弱，所以很難被看到。

所幸，有的黑洞處于雙星系統(tǒng)當(dāng)中，而且其中一個(gè)天體是正常的恒星。在這種情形之下，黑洞會(huì)從正常恒星上吸積氣體，在其周圍產(chǎn)生一個(gè)吸積盤，以至于某些時(shí)候吸積氣體的量過多，不能被黑洞直接吞掉，這時(shí)還會(huì)沿著黑洞的兩個(gè)轉(zhuǎn)軸將多余的氣體拋射出去，從而產(chǎn)生非常壯觀的噴流。正是因?yàn)槲e盤和噴流的存在，他們都能夠產(chǎn)生我們非常熟知的電磁輻射，從而我們利用傳統(tǒng)的探測方式，比如地面或者太空的望遠(yuǎn)鏡，就可以間接地探測黑洞的存在。

大約在50年前，人類就是利用此方法發(fā)現(xiàn)了了第一個(gè)黑洞候選體，天鵝座X-1 （Cygnus X-1）。在1974年，地球上兩顆聰明的大腦、理論物理學(xué)家霍金和好朋友基普·索恩就這個(gè)候選體是不是黑洞而打了個(gè)賭，他們以一年的成人雜志《閣樓》作為賭注。后來的觀測是利用天鵝座X-1中的伴星運(yùn)動(dòng)測得了黑洞質(zhì)量，大約為15個(gè)太陽質(zhì)量，從而霍金認(rèn)輸并且在兩人的賭書上簽名按上了自己的手印?；铡に鞫鲝哪菚r(shí)就贏了。

對(duì)于雙黑洞系統(tǒng)，他們幾乎不會(huì)產(chǎn)生能夠?yàn)閭鹘y(tǒng)方式所觀測到的光子。所以，即使它們存在，利用傳統(tǒng)的觀測方式，我們也不能發(fā)現(xiàn)他們。況且，很多人都懷疑它的存在。但是，在雙黑洞繞轉(zhuǎn)，尤其是合并之時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的引力波。只要引力波探測器足夠靈敏，我們就可以發(fā)現(xiàn)它們的蹤影。面對(duì)大家的懷疑，LIGO的發(fā)現(xiàn)用事實(shí)證明了它的存在。而此次發(fā)現(xiàn)引力波的天文臺(tái)的創(chuàng)建人之一就是基普·索恩——索恩教授又一次贏了。

用圓規(guī)丈量宇宙

從預(yù)言到探測，物理學(xué)家等待引力波的到來已有一百年之久，為什么引力波這么難得一見？主要原因是，相比較其他的幾種力（強(qiáng)力、弱力、電磁力），引力是最弱的，相應(yīng)的引力波效應(yīng)也就很弱。當(dāng)初愛因斯坦在發(fā)表自己新的理論之后，就估算了引力波的強(qiáng)度。引力波的強(qiáng)度通常利用相對(duì)變形大小來表示，但是結(jié)果往往是小的可憐，幾乎無法探測到。引力波是時(shí)空的自身變形，在一個(gè)方向上被拉伸，在其垂直的另外一個(gè)方向上就會(huì)被壓縮。如果有一天，我們被同樣的雙黑洞系統(tǒng)在合并時(shí)所產(chǎn)生的引力波（變化強(qiáng)度為1.0E-21）所擊中的話，理論上來說，我們同樣會(huì)經(jīng)歷一個(gè)稍微變高變瘦，然后變胖變矮一些的過程。實(shí)際上，對(duì)我們身高不超過2米的人類來說，導(dǎo)致的變化大約為2E-21，為一個(gè)氫原子的五百億分之一。endprint

對(duì)于不喜歡睡眠被地震打擾的普通人來說，感受不到宇宙的震動(dòng)是多么幸福。但物理學(xué)家急需感覺到這種震動(dòng)，來證明自己確實(shí)讀懂了宇宙。于是，他們發(fā)明了世界上最大和最貴的“圓規(guī)”——1991年，麻省理工學(xué)院與加州理工學(xué)院在美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）的資助下，開始聯(lián)合建設(shè)“激光干涉引力波天文臺(tái)”（LIGO）。不過，LIGO建成后一開始并沒有什么作為，經(jīng)過數(shù)次耗資不菲改造，LIGO總算帶來了好消息。

LIGO的“兩條腿”都有4000米長，長臂中間是高度真空的管子，而在長臂兩端，懸掛著大約直徑34厘米、重達(dá)40kg的反射鏡。最近的一次升級(jí)就花去了幾十億美元。LIGO的探測器利用激光干涉技術(shù)，不間斷地測量每對(duì)反射鏡之間的距離。每當(dāng)引力波通過探測器時(shí)，人們會(huì)探測到兩對(duì)反射鏡之間的距離呈現(xiàn)此消彼長的周期性變化。

即使對(duì)于LIGO天文臺(tái)4公里的長臂，引力波所造成的變化也是極其微小的。對(duì)于此次新聞報(bào)道中的雙黑洞合并，其可能產(chǎn)生的尺度相對(duì)變化最高可為1.0E-21，意味著4公里的長度也僅僅只變化了一個(gè)氫原子直徑的2.5千萬分之一。為了達(dá)到這個(gè)精度，LIGO的科學(xué)家做了許多精密的設(shè)計(jì)，保證探測系統(tǒng)的穩(wěn)定，保證LIGO反射鏡的位置隨機(jī)漲落小于一個(gè)氫原子大小的百億分之一，從而保證可以相對(duì)比較容易的探測到可能的引力波源。

引力波能帶來什么？

對(duì)物理學(xué)家來說，這輕輕的一震，比《美人魚》、《星球大戰(zhàn)》乃至人類史上所有的電影加起來都好看，因?yàn)樗N(yùn)含的劇情，是宇宙誕生的畫面。

我們從小都被告知一個(gè)最著名的猜想——宇宙是在一場爆炸中誕生的。這意味著，在時(shí)空開始，這個(gè)大蹦床有一次最劇烈的震動(dòng)。引力波就能讓我們還原這個(gè)震動(dòng)——它是否存在，有多大規(guī)模，諸如此類。除此之外，引力波還能讓我們知道，看不到的宇宙空間在發(fā)生什么。據(jù)科學(xué)家說，這次的引力波就發(fā)生在我們看不到的超遠(yuǎn)的距離外的超級(jí)黑洞的變化引起的。如果你是《三體》迷，你就可以理解，如果在很遠(yuǎn)的星系一個(gè)文明被高階文明炸掉了，我們能夠第一時(shí)間通過引力波知道這個(gè)事情是多么重要。

一窺宇宙初生

毫無疑問引力波是對(duì)廣義相對(duì)論的一個(gè)最直接的驗(yàn)證。另外它在弱場中已經(jīng)得到驗(yàn)證，但是對(duì)于強(qiáng)引力之下的驗(yàn)證，之前卻從來沒有驗(yàn)證過。所以此次的觀測，是對(duì)廣義相對(duì)論的一個(gè)非常好的檢驗(yàn)。

引力波以光速傳播，它與物質(zhì)的相互作用非常非常的弱，所以引力波可以給我們提供宇宙幾乎無阻擋的圖景，而這幾乎是無法利用我們熟知的電磁波來達(dá)到的。比如，利用引力波，我們可以看到宇宙的最早期，宇宙大爆炸之后的1.0E-36秒開始的宇宙形成過程，而對(duì)于電磁波而言，它最早只能看到大爆炸后的大約30萬年之后的宇宙歷史，在此之前，電磁波是不能給我們提供的。所以引力波是我們了解宇宙形成的最好工具。

如果還記得，在《星際穿越》電影中的結(jié)尾，主人公庫珀身處一個(gè)5維時(shí)空的超體方體中，為了將從黑洞中心所提取出來的信息傳遞給身處4維時(shí)空的女兒墨菲，人為的制造引力波效應(yīng)，成功將信息傳遞，從而人類得以解救。引力波從目前物理學(xué)家的認(rèn)識(shí)來看，是唯一一種可以在不同維度傳播的波。不同宇宙之間的碰撞，會(huì)產(chǎn)生引力波。說不定在不遠(yuǎn)的將來，我們也可以依靠引力波來判斷多重宇宙的存在與否。

就如同一個(gè)天生的聾啞人，一直在聽別人說聲音的存在，突然有一天聽力恢復(fù)了。就是這種心情。引力波給我們打開了一扇全新的窗口。引力波是一種方式，是一種看待世界的方式。歷史的發(fā)現(xiàn)軌跡告訴我們，每一扇新的窗口被打開，都會(huì)有令人稱奇的發(fā)現(xiàn)。雖然LIGO的探測能力有限，一旦這個(gè)引力波的世界被撬開了一道小的裂縫，讓我們看到了春天的種子，相信碩果累累的引力波豐收季節(jié)也不會(huì)太遠(yuǎn)。endprint