感受宇宙的脈搏

一只大黑貓

在經(jīng)歷了一波又一波關于引力波的傳言之后，北京時間2月11日晚11點30分，加州激光干涉引力波觀測站（LIGO）聯(lián)合創(chuàng)辦人基普·索恩（Kip Thorne）于華盛頓國家新聞社向全世界宣布：人類首次直接探測到了引力波。就在2015年9月14日北京時間17點50分45秒，LIGO位于美國利文斯頓與漢福德的兩臺探測器同時觀測到了信號。

自此，“引力波”這三個字以鏈式反應般的速度引爆全球，人們一致認為它開啟了探索宇宙的新窗口，全世界都在為此而歡欣鼓舞。

萬有引力與引力波

引力是物理上的四種基本力之一，天體有規(guī)律地運行，人們不能直接從地面飄向高空，都是因為存在引力。在很多領域，引力或者說重力，是不利因素，比如沒有重力或重力很弱的話，那隨便一跳就可以飛起來了（在月球和宇宙飛船里就是這樣）。但引力又不可或缺，飛船上感受不到重力是因為地球引力成為飛船環(huán)繞地球的向心力，而并不是不存在。如果它真的不存在，飛船就會因慣性而飛離地球了。那么，引力究竟是什么，又是靠什么傳輸，能不能改變和利用它，就像利用電磁力那樣呢？近百年來，很多人都在關注這些問題，并且就在最近得到了驚人的結果。

經(jīng)典物理學認為，引力是物體間相互吸引的作用，大小正比于兩物體質量之積，反比于它們質心距離的平方。任何物體，只要存在靜止質量或運動質量，就都會受到引力的作用。對比電磁力，質量相當于電荷，而電磁力要靠電磁波傳輸，所以很多人相信也存在“引力波”，而最初提到這個概念的正是大科學家愛因斯坦。在較深入的研究中，人們更常用“空間彎曲”來描述引力，仿佛物體的質量“壓彎”了空間，從而讓它們有相互靠近的趨勢一樣。同時，既然引力能夠改變空間，有人相信空間結構的不均勻分布也會產(chǎn)生引力，這就構成了另一種對引力的描述。當然，在所有描述中，引力在日常生活能接觸到的范圍內(nèi)作用都是相同的。

艱難的觀測

法國科學家德布羅意（Louis Victor de Broglie）認為，物質可以由粒子構成，也可以由波構成，所以每個有質量的物體必然也載有波，他稱這種波為物質波，本質很可能就是引力波。同時，類似無線電發(fā)射的原理，電荷震蕩會產(chǎn)生電磁波，物體震蕩也會產(chǎn)生引力波。這兩種波中，前者是穩(wěn)定的，表現(xiàn)得類似池塘中的漣漪，學術上稱為“引力場”，地球重力或飛船環(huán)繞地球的向心力就是它的作用。后者則與震蕩的形式、頻率等有關，會在宇宙中傳播，并且引起空間或其他物體的相應波動。

是的，盡管曾經(jīng)報道了很多“發(fā)現(xiàn)”引力波的新聞，但實際上各種引力波一直被人們感受和觀測著，只不過以前沒有真正發(fā)現(xiàn)與物質震蕩關聯(lián)明確的引力波現(xiàn)象。這是因為，通常天體等大質量物體的震蕩相對自身質量太微弱，而任何物體，包括空間本身都會受到引力作用，必須用對比測量才能識別引力波動，這使得觀測技術十分復雜。為了測量引力震蕩導致的物體或空間微小波動，引入了一種邁克爾遜-莫雷實驗裝置。它有垂直相交的兩條等長臂，通過測量不同方向上的臂長變化，可以發(fā)現(xiàn)空間或物體的波動，這次宣布的在去年9月觀測到引力波的LIGO和VIRGO、GEO600等都屬于這類。于是，當LIGO剛剛升級調試完畢幾天后，引力波就這樣被“發(fā)現(xiàn)”了。

撼動宇宙的心跳

所以，剛剛被發(fā)現(xiàn)的并不是引力波，而是觀測宇宙物質和空間波動的新手段。那么，到底哪些現(xiàn)象會被觀測到呢？現(xiàn)在認為有四種：

第一種，中子星或黑洞之類組成的雙星系統(tǒng)的演化，典型的就是2015年9月發(fā)現(xiàn)的兩個互相環(huán)繞的黑洞合并。

第二種，快速旋轉的中子星等致密天體，它們的旋轉運動會導致周期性引力波輻射。曾經(jīng)認為這是最容易觀測到的引力波源，因為符合條件的星體很多，但目前還沒觀測到，可能與信號強度和星體表面質量不對稱等情況有關。

第三種，引力波背景輻射，類似于電磁波背景輻射，是宇宙大爆炸的遺跡，可以讓宇宙學家更好地了解大爆炸初期發(fā)生了什么。

第四種，恒星爆發(fā)時的非對稱性引力波，有點像對超新星照“透視”，可以直接探測到來自天體內(nèi)部的信息，但解讀需要大量的研究和數(shù)據(jù)積累。

綜上所述，引力波的“發(fā)現(xiàn)”，讓人們繼400多年前發(fā)明望遠鏡之后又獲得了一個探索宇宙的新手段。由于引力波與光（也就是電磁波）在產(chǎn)生原理和傳播方式上的不同，利用它可以觀測到更豐富的宇宙現(xiàn)象。例如，宇宙中可能存在不輻射電磁波，因此傳統(tǒng)手段無法直接看到的“暗”物質（但它們有質量）用引力波觀測很可能就清晰可見了。另一方面，對已發(fā)現(xiàn)的宇宙現(xiàn)象，如雙星體系的演化，也可以借助引力波數(shù)據(jù)進行印證。

科學意義和未來應用？

引力波事件的直接觀測，對近幾十年來舉步艱難的基礎科研可以說是一針“強心劑”。

首先，這自然是一種新天文觀測手段的發(fā)展成熟。如上所述，在引力波的幫助下，大量新天文現(xiàn)象亟待發(fā)掘，“引力波天文學”已成為近來快速崛起的術語名詞。

同時，引力波是愛因斯坦廣義相對論中最后一個未被證實的假說，2015年觀測到的黑洞融合是對它的直接驗證，如果數(shù)據(jù)能得到進一步證實，將為這個理論畫上完美的句號。

此外，觀測引力波背景輻射對天體物理和宇宙學也是意義重大，可以幫助理解“大爆炸”初期宇宙的“暴漲”，并成為聯(lián)系量子物理尺度下的“大統(tǒng)一”引力和宏觀宇宙尺度引力的橋梁，推動相關理論的完善。

最后，“發(fā)現(xiàn)”引力波的過程本身對普通人也十分重要，因為它促使了新一波科學熱和對大科研的再度關注。LIGO耗資3.65億美元，其他觀測項目也花費大量金錢，更重要的是，這些領域的學者幾乎默默無聞地工作了50年，才有了如今的驚人發(fā)現(xiàn)，這和眼下普遍急功近利的所謂“創(chuàng)新”研究形成了鮮明對比。已有不少學者和有識之士表示，引力波觀測這樣的大科研才該是集中國家力量努力推動的方向，科學研究要努力開拓人類的視野，而不應寄希望于在短期內(nèi)取得經(jīng)濟利益。

目前，引力波觀測的應用主要限于學術領域，雖然能夠被觀測到的引力波一定也能夠傳遞信息，或用于通信，但這需要驅動相當于太陽數(shù)十倍質量的恒星碰撞融合才能發(fā)出。也許某一天我們能從引力波數(shù)據(jù)中解讀出一條外星人發(fā)來的招呼，但不必擔心因此招來三體人入侵，因為就算想回答，暫時也無力做到。

更進一步想象下去，既然觀測到了引力波，那就有可能開發(fā)改變甚至屏蔽引力波的技術，比如“反重力”飛行等等，這就要靠讀者們努力了。