引力波：揭開宇宙奧秘的“鑰匙”

茍利軍

在愛因斯坦提出廣義相對(duì)論整整一個(gè)世紀(jì)的歷史性時(shí)刻，我們站在了一個(gè)新時(shí)代的起點(diǎn)：通過位于美國(guó)列文斯頓和漢福德的高新引力波探測(cè)器，人類有望在不遠(yuǎn)的將來捕捉到時(shí)空的漣漪，用一種前所未有的方式看待這個(gè)世界

北京時(shí)間2016年2月11日晚上，一波又一波的引力波傳言終于在美國(guó)自然基金會(huì)的新聞發(fā)布會(huì)中塵埃落定：人類首次直接探測(cè)到了引力波，這是真的！正如發(fā)布會(huì)所言，在被預(yù)言將近百年、苦苦追尋幾十年之后，首個(gè)位于地球之外13億光年的引力波源GW150914被人類直接探測(cè)到。這是一個(gè)值得紀(jì)念的偉大時(shí)刻，一個(gè)新時(shí)代的序幕正在拉開。

激動(dòng)人心的發(fā)布會(huì)結(jié)束了，其重點(diǎn)內(nèi)容可以被簡(jiǎn)單歸納為三點(diǎn)：（1）引力波終于被探測(cè)到了。（2）引力波產(chǎn)生于兩個(gè)恒星量級(jí)黑洞的合并。（3）引力波是由美國(guó)的激光干涉引力波天文臺(tái)（簡(jiǎn)稱LIGO）發(fā)現(xiàn)的。

什么是引力波

對(duì)于“波”，我們并不陌生，生活中時(shí)常會(huì)聽到無線電波、電磁波、聲波、光波等，引力波也是波的一種。既然稱之為引力波，它必然與引力有關(guān)。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)家牛頓看到下落的蘋果，意識(shí)到物體之間普遍存在的一種力，他稱之為“引力”，并且將其數(shù)學(xué)化，這就是我們熟知的萬有引力。其精髓是物體質(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)論發(fā)表，愛因斯坦提出了一種完全不同的看法——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)的情況卻是像哈哈鏡里一樣扭曲。這種扭曲是物質(zhì)造成的，質(zhì)量越大，扭曲就越大。這意味著，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(jiǎn)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。

如果將時(shí)空視作海洋，那么天體就如同海洋生物一般?？梢韵胂?，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。可是在北京時(shí)間2015年9月14日17點(diǎn)50分45秒，地球上的LIGO探測(cè)器卻探測(cè)到了來自于宇宙深處距離地球13億光年之外的一場(chǎng)引力風(fēng)暴，它來自于一個(gè)雙黑洞系統(tǒng)的合并（圖1），天文學(xué)家以探測(cè)日期將它命名為GW150914。

用圓規(guī)丈量宇宙

對(duì)于睡眠時(shí)不喜歡被地震打擾的我們來說，感受不到宇宙的震動(dòng)是多么幸福。但物理學(xué)家可不這么想，他們急需感覺到震動(dòng)，來證明自己確實(shí)讀懂了宇宙。他們還希望通過對(duì)震動(dòng)的研究，把宇宙讀得更懂。于是，科學(xué)家發(fā)明了世界上最大和最貴的“圓規(guī)”，他們把它叫做邁克耳遜干涉儀。它的“兩條腿”都有4000米長(zhǎng)，最近的一次升級(jí)就花去了幾十億美元。

邁氏干涉儀的原理是什么？假設(shè)我們有兩個(gè)短跑運(yùn)動(dòng)員，他們?cè)谌魏吻闆r下跑步速度都一樣，那么，如果跑道因?yàn)橐Σ〝_動(dòng)，長(zhǎng)度發(fā)生了變化——就像蹦床表面會(huì)因受力，在一個(gè)方向上拉伸一樣，他們從儀器的兩條腿上跑回來的時(shí)間就會(huì)發(fā)生微小的差異。我們就知道，空間確實(shí)在震動(dòng)。

引力波可為黑洞做名片

在觀測(cè)到了完整的引力波形之后，利用一種叫做匹配濾波（waveform matching）的方法，理論上就可以推斷出系統(tǒng)性的信息，包括合并之前和之后。比如，對(duì)于雙黑洞系統(tǒng)，可以推斷出合并之前的黑洞質(zhì)量、自旋和軌道，以及合并之后的質(zhì)量和自旋。此次新聞發(fā)布會(huì)中所提及的引力波事件，就得到黑洞質(zhì)量在合并之前是26和39太陽質(zhì)量，合并之后是62太陽質(zhì)量，合并后的黑洞是一個(gè)克爾黑洞，其自旋參數(shù)值為0.67。

我們所看到的所有恒星，都是處于旋轉(zhuǎn)當(dāng)中。所以對(duì)于那些由恒星塌縮而形成的黑洞而言，它們也是處在旋轉(zhuǎn)之中。對(duì)于黑洞的旋轉(zhuǎn)，天文學(xué)家用一個(gè)叫做“自旋參數(shù)”的量來表示，它在0和1之間變化——0代表了沒有轉(zhuǎn)動(dòng)的黑洞（也叫“史瓦西黑洞”），而1代表了理論上黑洞所具有的轉(zhuǎn)動(dòng)最大值（也叫“極端克爾黑洞”）。對(duì)于此次觀測(cè)中合并以后的黑洞，它的自旋參數(shù)為0.67。如果我們以轉(zhuǎn)速來描述，它在以每秒鐘100轉(zhuǎn)的速率轉(zhuǎn)動(dòng)。

如果你覺得轉(zhuǎn)速依舊很難理解，那我們可以想象一下《星際穿越》電影中的一個(gè)情節(jié)：主人公在卡剛都亞黑洞的行星上只呆了3個(gè)小時(shí)，但是后來卻發(fā)現(xiàn)飛船上已經(jīng)過了23年，時(shí)間相差6萬倍。要有這樣巨大的時(shí)間差，其中條件就是行星極度靠近黑洞的同時(shí)，黑洞也在以最大速度轉(zhuǎn)動(dòng)。按照相對(duì)論理論所言，這樣行星上的時(shí)間就會(huì)被極大的拉長(zhǎng)。天鵝座黑洞的轉(zhuǎn)速就具有類似于電影中卡剛都亞黑洞那樣的轉(zhuǎn)速。對(duì)于此次引力波探測(cè)到黑洞而言，即使有某個(gè)行星在其周圍最靠近的穩(wěn)定存在，那么它的時(shí)間也會(huì)流逝得很慢，不過不會(huì)有6萬倍那么大的差別，最多也就2倍左右。

對(duì)于黑洞而言，有著非常著名的“無毛定理”，也就是說黑洞只需要簡(jiǎn)單的幾個(gè)量就可以描述。對(duì)于宇宙當(dāng)中的黑洞，只需要我們上面所說的質(zhì)量和自旋參數(shù)就可以完整地描述。當(dāng)我們知道了黑洞的質(zhì)量和自旋參數(shù)一些性質(zhì)時(shí)，就可以很容易地對(duì)黑洞本身的全貌做出一個(gè)描繪，就如同給出了一個(gè)人的完整自畫像。而引力波的方法可以快速給出黑洞的完整信息，這相比較傳統(tǒng)的觀測(cè)方式，更為有效，盡管在觀測(cè)方面有些困難。

引力波能帶來什么

對(duì)于大眾來說，或許會(huì)懷疑花費(fèi)這么多經(jīng)費(fèi)去探索引力波有何意義。但對(duì)瘋狂的物理學(xué)家來說，他們會(huì)覺得，這不但非常物有所值，而且就像免費(fèi)的一樣便宜。

1. 引力波可一窺宇宙初生。對(duì)物理學(xué)家來說，這輕輕的一震，比《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(chǎng)爆炸中誕生的。這意味著，在時(shí)空開始之時(shí)，有過一次最劇烈的震動(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。

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我們宇宙幾乎無阻擋的圖景，而這個(gè)幾乎是無法利用之前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（科學(xué)計(jì)數(shù)法）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大約300000年之后的宇宙歷史。所以引力波是我們了解宇宙形成的最好工具。

2.引力波是對(duì)廣義相對(duì)論的一個(gè)最直接的驗(yàn)證。如果引力波不被發(fā)現(xiàn)，愛因斯坦的理論就如同缺了一條腿的凳子，是有漏洞的。關(guān)于引力波的強(qiáng)度，愛因斯坦曾計(jì)算——非常微弱。假設(shè)迎面走來一串引力波，你會(huì)變高變瘦，接下來變矮變胖，再變高變瘦……當(dāng)然，想靠引力波改變體型是不可能了，除非你就站在引力波波源附近（但黑洞至少有100種方法讓你在它旁邊活不下去）；否則引力波只會(huì)把你的身高拉高（然后壓扁）那么一丁點(diǎn)——大概就是一個(gè)氫原子的一百億分之一。在接下來的幾年中，愛因斯坦幾次修改對(duì)引力波的判斷。廣義相對(duì)論的開山鼻祖尚且摸不著頭腦，別的科學(xué)家更是莫衷一是。引力波強(qiáng)度的微弱暫且不論，在它是否存在都有爭(zhēng)議的情況下，任何嚴(yán)肅的探測(cè)引力波的努力都很難讓人信服。毫無疑問，此次觀測(cè)是對(duì)廣義相對(duì)論的一個(gè)非常好的檢驗(yàn)。

3. 又多了一種測(cè)量宇宙的方法。引力波的發(fā)現(xiàn)類似當(dāng)年發(fā)現(xiàn)X光一樣，是一種工具。英國(guó)著名理論物理學(xué)家斯蒂芬·霍金表示：“引力波提供了一種人們看待宇宙的全新方式。人類探測(cè)到引力波的這種能力，很有可能引發(fā)天文學(xué)革命?！庇辛诉@個(gè)工具，我們可以利用對(duì)引力波的觀察，去觀察遙遠(yuǎn)的宇宙的現(xiàn)象；發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)、時(shí)空穿梭等才是有可能實(shí)現(xiàn)的事情。如果沒有引力波，以我們現(xiàn)有的技術(shù)是做不到這些科幻世界才有的事情的。

4. 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，這次的引力波就是在我們看不到的超級(jí)遠(yuǎn)的距離上，由看不到的超級(jí)大黑洞的變化引起的。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。

5. 引力波可在不同維度傳播。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進(jìn)行傳播的波。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。在《星際穿越》電影中的結(jié)尾之時(shí)，主人公庫(kù)珀身處一個(gè)5維時(shí)空的超立方體中，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。

引力波探測(cè)，中國(guó)也有大動(dòng)作

隨著人類在2016年初宣布首次直接探測(cè)到引力波，取得科學(xué)上的重大突破，中國(guó)科學(xué)家一系列與引力波探測(cè)相關(guān)的計(jì)劃也浮出水面。2016年2月16日，中國(guó)科學(xué)家公布了一項(xiàng)新的空間探測(cè)引力波計(jì)劃——“太極”。中國(guó)科學(xué)院院士、太極計(jì)劃首席科學(xué)家胡文瑞透露：太極計(jì)劃的設(shè)想之一是在2030年前后發(fā)射三顆衛(wèi)星組成引力波探測(cè)星組，用激光干涉方法進(jìn)行中低頻波段引力波的直接探測(cè)，目標(biāo)是觀測(cè)雙黑洞并合和極大質(zhì)量的天體并合時(shí)產(chǎn)生的引力波輻射，以及其他的宇宙引力波輻射過程。

這一計(jì)劃緣何起名“太極”？胡文瑞解釋道：按照中國(guó)的宇宙觀，萬物開始是“太極”，探測(cè)原初引力波就是研究宇宙的起源，而太極的圖形與雙黑洞形象很相似。如果說引力波是一場(chǎng)宇宙交響曲，那么美國(guó)LIGO的成果只是一個(gè)序曲，但主樂章在空間探測(cè)領(lǐng)域，將解答更多重大學(xué)術(shù)問題。

國(guó)家天文臺(tái)恒星級(jí)黑洞研究創(chuàng)新小組負(fù)責(zé)人