漸近耳畔的“宇宙之音”

引力波曾被很多人比喻為宇宙的“聲音”。正如在我們的日常生活中，聲音是不可分割的一部分，是人們對外界事物感知的重要途徑之一，引力波的作用也類似于此。一經(jīng)證實，整個科學(xué)界都在沸騰，這是科學(xué)史上又一次具有劃時代意義的事件。

眾所周知，宇宙所有物質(zhì)和能量之間都存在著引力，比如說，物體在地球上的重量便是由地球?qū)ζ涞囊λ?。盡管引力是人類最早認識的一種基本作用力，但人們對它的認識始終不太清楚。因此，無論是在理論還是實驗領(lǐng)域，物理學(xué)家們對引力仍然探索不止。

一個世紀前，愛因斯坦預(yù)測了引力波的存在。對于它們的存在，近百年來，科學(xué)家們只能找到間接的證據(jù)。而在美國華盛頓當?shù)貢r間2016年2月11日這一天，這個百年前的偉大預(yù)言終于被證實。當天上午，激光干涉引力波觀測臺（LIGO）實驗組召開新聞發(fā)布會，告訴全世界，首次直接觀測到了由2顆恒星級黑洞13億年前并合產(chǎn)生的引力波。這是科學(xué)史上又一次具有劃時代意義的發(fā)現(xiàn)。那么，究竟什么是引力波？它為什么如此重要？

是什么——白話“引力波”

如果把引力比作大海，那么引力波就是大海中波浪的激蕩。在了解引力波之前，讓我們先來說一說引力是什么。

引力全稱萬有引力，又稱重力相互作用，它是指具有質(zhì)量的物體之間加速靠近的趨勢，簡單說就是物體之間相互吸引的作用力。它是自然界的四大基本相互作用力之一，也是自然界中最普遍存在的力，可以說是無處不在。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院教授蔡一夫解釋說，在經(jīng)典力學(xué)中，萬有引力被認為是帶有質(zhì)量的物體之間所存在的相互作用。然而，在愛因斯坦的廣義相對論中，萬有引力是由于存在質(zhì)量對時空的彎曲所造成的現(xiàn)象。“廣義相對論認為，物質(zhì)的質(zhì)量會使得時空彎曲。比如說一個人坐在沙發(fā)上時，原本平整的沙發(fā)表面就立刻會向下凹陷，出現(xiàn)一個坑，而之前放在沙發(fā)周圍的物體就有向坑中間滑落的趨勢，于是就產(chǎn)生了萬有引力?！?/p>

“在宇宙空間也是一樣，比如把太陽、地球、恒星、黑洞等大質(zhì)量的天體放在時空中，時空就會形成‘凹陷彎曲，萬有引力也就產(chǎn)生了。”美國麻省理工學(xué)院物理系研究員蘇萌說。

由此可見，在愛因斯坦廣義相對論的視野里，引力等價于彎曲的時空。而引力波就是在彎曲時空這個大背景下，當發(fā)生有質(zhì)量的物體加速運動導(dǎo)致的擾動時，由此產(chǎn)生的波動如波紋一樣向外傳播的現(xiàn)象。蔡一夫拿蹦床舉例進一步解釋說，“如果一個運動員站在蹦床上，他站著的那個位置就會形成一個凹陷，也就是我們所說的彎曲。如果這個運動員在那里一動不動的話，那個彎曲就像被扳彎的鋼尺一直緊繃在那里。這種緊繃其實是在儲存能量。如果他稍微動一動，跳一下，這個蹦床就會把他彈起來。為什么會被彈起來呢？就是因為之前儲存的能量釋放了。這種釋放不僅是把人彈到了空中，而且使得這個蹦床表面從一開始緊繃的靜止狀態(tài)一下子變成反復(fù)起伏、上下翻滾的褶皺狀態(tài)，這個起伏翻滾并傳開來的褶皺就可以理解成一個波動的傳播，即產(chǎn)生了引力波?！?/p>

蔡一夫說，如果把宇宙空間比作蹦床，把黑洞比作蹦床運動員，它在宇宙這個大蹦床上通過碰撞、并合等方式蹦了一下，就會把之前儲存的巨大能量釋放出來，這種行為會擾動周圍的時空，造成起伏和震動，這個能量就會以引力波的形式傳遞出去。這種起伏的程度越大，波動就越大，引力波也就越強。

探測難——迷你數(shù)值的頑強阻礙

只有宇宙中發(fā)生爆炸性大事件時產(chǎn)生的引力波，才相對容易探測到，比如黑洞并合、星系合并、超新星爆炸等。100年前，愛因斯坦在預(yù)言引力波存在時就曾說：“這些數(shù)值是如此微小，它們不會對任何的東西產(chǎn)生顯著的作用，沒人能夠去測量它們?！笔聦嵉拇_是這樣，萬有引力雖然無處不在，但它卻是我們已知物理世界中最弱的力。盡管它的很多行為類似電磁波，但是對它的波動性的探測卻比登天還難。

其實，我們?nèi)粘Ｉ钪芯陀袩o數(shù)引力波的存在。每天我們的身體都在接受引力波的穿透，因為任何帶有質(zhì)量的物體加速運動都會產(chǎn)生引力波，但是這些日常的引力波都太弱了，完全檢驗不到，更別提感受到了。

蔡一夫說：“舉個例子，大家知道太陽每天都會照射到地球上，我們從而能感受到陽光。太陽的光線是從太陽那里出發(fā)落到我們身上。那么，這個傳播的過程是什么？就是電磁波的傳遞。萬有引力也是一樣，太陽給我們陽光的同時，也給我們引力輻射，這個過程就是引力波的傳遞。這個引力作用也是從太陽那里出發(fā)到我們身上的，只不過我們看不到和感受不到而已?！?/p>

既然引力波那么弱，那么人類怎樣才能探測到引力波呢？

“可以去探測大強度的引力波。引力波的強度跟天體的質(zhì)量和運動劇烈程度有關(guān)。天體質(zhì)量越大，運動越激烈，產(chǎn)生的引力波就越強。就好比蹦床運動員，他如果重量越大，彈跳得越高，能量釋放得越多，造成蹦床表面的起伏波動就會越大?！碧K萌說。

科學(xué)家們也同時表示，即使是宇宙中這類天體爆炸性的大事件產(chǎn)生的較強引力波，探測起來也是極其困難的，這對儀器和人的要求都很高。關(guān)于這點，蔡一夫給出解釋：“時間發(fā)生得越早，距離越遠，在宇宙?zhèn)鞑テ陂g越會被紅移。紅移指的是由于宇宙本身的膨脹將所有波動的波長拉直拉平，這樣其波動性就難以被探測到。例如，這次LIGO探測到的引力波，是13億年以前2顆大約30個太陽質(zhì)量的黑洞并合所產(chǎn)生的引力波，振幅之小，是在原子核尺寸的千分之一的尺度。能探測到真的非常不易，LIGO實驗組的科學(xué)家們也是在幾十年里經(jīng)歷多次挫折，不斷調(diào)整方案、改進儀器，才最終探測到的。”

有啥用——無法估量的生活模式

引力波攜帶著與電磁波截然不同的信息，將為我們揭示宇宙新的奧秘，甚至為我們揭示宇宙誕生之初的奧妙。

“一旦宇宙中某個地方因為天體碰撞或爆炸產(chǎn)生了引力波，這種時空的‘震蕩會在宇宙間以光速傳播。如果離地球足夠近，就可以用‘引力波天線接收這些訊號。就像地球上時不時發(fā)生地震一樣，只要我們有一個好的地震儀就能探測到這些微乎其微的震蕩?！碧K萌說。

蘇萌介紹，目前引力波根據(jù)其產(chǎn)生源不同，主要分四種，分布在不同頻率上。針對不同頻率，科學(xué)家設(shè)計了不同的探測手段。例如，這次LIGO實驗組探測到的黑洞引力波就屬于高頻段，探測手段就是地面數(shù)千米的激光干涉裝置。

四種引力波中，原初引力波頻率最低，迄今為止還未被觀測到，其波長跟整個宇宙的尺度差不多大。它不同于天體運動、演化形成的引力波，而是來自于宇宙早期，產(chǎn)生于宇宙大爆炸時宇宙時空劇烈的“暴脹”過程中。原初引力波的探測需要對宇宙大爆炸后微波背景輻射（宇宙微波背景輻射是宇宙誕生大概38萬年后留下來的電磁波）進行觀測，一旦被探測到，對基礎(chǔ)物理學(xué)的意義將十分重大。

科學(xué)家們普遍認為，LIGO這一發(fā)現(xiàn)是愛因斯坦相對論實驗驗證中最后一塊缺失的“拼圖”，證實了愛因斯坦廣義相對論的正確性。

“既然引力波是存在的，基于引力波的科研思路可信性就大大提高了。就好像走一條未知的路，走到半路，有人懷疑不對，結(jié)果證實是對的，那么就可以加快步伐了?！碧K萌說。

從科學(xué)上講，引力波的發(fā)現(xiàn)為我們打開了研究宇宙的全新窗口，射電、光學(xué)、伽馬射線等電磁波譜研究宇宙都是來自于光子攜帶的信息，引力波攜帶著與電磁波截然不同的信息，將為我們揭示宇宙新的奧秘，比如黑洞與黑洞并合時的物理過程。如果能探測到宇宙大爆炸時發(fā)出的原初引力波，那將為我們揭示宇宙誕生之初的奧妙?！熬秃帽?，人類以前以為自己只有一雙能夠看見外界的眼睛（電磁波探測），現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)自己還有一雙能夠聽見外界的耳朵（引力波探測）。”中科院高能所研究員張新民說。

引力波的發(fā)現(xiàn)對普通人的生活會產(chǎn)生什么影響？科學(xué)家們表示，一個新的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)總會給人類社會帶來無法預(yù)估的發(fā)展。18世紀描述電磁波的麥克斯韋理論被確認的時候，也沒有人知道會給人類帶來什么，但是現(xiàn)在不管是電視機還是移動電話，都與電磁現(xiàn)象有關(guān)。

如何作——運作中的“中國進行時”

“太極計劃”和“天琴計劃”要去太空探測引力波；“阿里實驗計劃”的目標是在地面探測原初引力波。LIGO的發(fā)現(xiàn)讓我國科學(xué)家對中國的引力波研究充滿期待。

作為“阿里實驗計劃”的負責人，張新民認為，中國是一個大國，這個領(lǐng)域不能是空白?！拔覀儽仨氉ゾo創(chuàng)新而不是跟蹤，作出我們應(yīng)有的貢獻。”

實際上，早在20世紀70年代，中國科學(xué)家就開始了引力波研究，但由于種種原因停滯了十幾年，造成了人才斷層。直到2008年，在當時還在中科院力學(xué)所國家微重力實驗室工作的胡文瑞院士的推動下，中國的引力波研究才再度開啟。

張新民介紹，目前中國的引力波研究主要有兩個方向，一是中科院剛剛提出的“太極計劃”和由中山大學(xué)領(lǐng)銜的“天琴計劃”，這兩個計劃都是要去太空探測引力波；二是由中科院高能物理研究所主導(dǎo)的“阿里實驗計劃”，目標是在地面探測原初引力波。這是兩個完全不同的研究方向和科學(xué)目標。

中科院高能物理研究所副研究員李宏說：“原初引力波太微弱，所以要選各種干擾盡量少的區(qū)域。比如要具備海拔高、大氣稀薄以及水汽含量低等因素。目前，科學(xué)家在全球共選出了4個最佳觀測點，分別是南極、智利阿塔卡馬沙漠、格陵蘭島和我國西藏阿里。”

據(jù)介紹，中科院國家天文臺在阿里建設(shè)的觀測站位于阿里地區(qū)獅泉河鎮(zhèn)以南約20 000米處、海拔5 100米的山脊，可以說是北半球最好的觀測臺址。張新民說：“阿里項目造價小，周期短，可望5年內(nèi)出成果。”

“太極計劃”的設(shè)想之一是在2030年前后發(fā)射3顆衛(wèi)星組成引力波探測星組，用激光干涉方法進行中低頻波段引力波的直接探測，目標是觀測雙黑洞并合和極大質(zhì)量比天體并合時產(chǎn)生的引力波輻射，以及其他宇宙引力波輻射過程?！疤烨儆媱潯睂⒎?個階段實施，大約需要20年的時間，投資大約150億元。

“如果說引力波是一場宇宙交響曲，那么LIGO的成果只是一個序曲，但主樂章還是在空間探測領(lǐng)域，將解答更多重大學(xué)術(shù)問題?！薄疤珮O計劃”首席科學(xué)家胡文瑞說。