引力波：愛(ài)因斯坦又對(duì)了

冉浩

牛頓聲稱(chēng)因?yàn)楸惶O(píng)果砸到，所以發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力。但引力到底是個(gè)什么東西呢？牛頓也不知道。它看不清，摸不著。直到前不久，我們才真正觀察到了引力——美國(guó)的一個(gè)科研項(xiàng)目首次確認(rèn)了引力波的存在！但這聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)高冷的引力波到底是什么呢？

愛(ài)因斯坦的猜測(cè)

20世紀(jì)上半葉是物理學(xué)群星璀璨的時(shí)代，愛(ài)因斯坦更是其中的杰出代表。他徹底顛覆了人類(lèi)的時(shí)空觀——在高速運(yùn)動(dòng)的世界里，光速不可超越，時(shí)間與空間也并不絕對(duì)，而是相對(duì)的；在物體接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量會(huì)無(wú)限加大，而內(nèi)部的時(shí)間會(huì)比外部減慢……這個(gè)理論被稱(chēng)為狹義相對(duì)論，讓當(dāng)時(shí)一群自詡為聰明的大腦目瞪口呆。然而，愛(ài)因斯坦并沒(méi)有止步，他不僅提出了能量和質(zhì)量的轉(zhuǎn)化公式，奠定了核能的物理基礎(chǔ)，還進(jìn)一步拋出了一個(gè)猜想——廣義相對(duì)論。

在廣義相對(duì)論中，愛(ài)因斯坦將引力解釋為時(shí)空的幾何屬性，說(shuō)明白點(diǎn)，就是大質(zhì)量的物質(zhì)會(huì)引起時(shí)空的扭曲。我們也可以打個(gè)比方，比如現(xiàn)在我們面前有一張蹦床，然后，我們放一塊大石頭上去，假設(shè)床沒(méi)蹋，會(huì)怎樣？你會(huì)看到蹦床放石頭的那一塊凹下去了——時(shí)空扭曲了。如果這時(shí)我們?cè)俜乓粋€(gè)玻璃球在蹦床上呢？因?yàn)橹虚g凹了一塊，小球就會(huì)朝凹的那里滾動(dòng)，也就是沖向石頭，小球越滾越快，然后，嘣！撞上石頭，碎了。一次小行星撞擊地球的事件，也許就是這么發(fā)生的。

如果要想不撞上，小球就必須具有一定的速度。當(dāng)速度達(dá)到一定程度時(shí)，小球就會(huì)圍繞著凹陷的邊緣旋轉(zhuǎn)——這就是衛(wèi)星。當(dāng)然，如果小球再快一些，它就能從坑里沖出去，然后擊中圍觀的某個(gè)人，這就是脫離了引力場(chǎng)。如果是兩個(gè)質(zhì)量差不多的天體，或者說(shuō)，兩塊大石頭在蹦床上互相圍繞滾動(dòng)呢？如果蹦床的老板還沒(méi)有破口大罵，我們會(huì)看到什么呢？蹦床表面應(yīng)該會(huì)震動(dòng)，或者說(shuō)以它們?yōu)橹行脑诋a(chǎn)生波紋，最后兩塊大石頭會(huì)越來(lái)越近，最后，砰！撞在一起，運(yùn)動(dòng)停止，大量的能量釋放出來(lái)。然后，以撞擊點(diǎn)為中心，蹦床表面開(kāi)始上下劇烈抖動(dòng)——更強(qiáng)大的波動(dòng)產(chǎn)生了。這些震動(dòng)和波動(dòng)，都是引力波。問(wèn)題是，愛(ài)因斯坦的理論對(duì)嗎？我們能夠檢測(cè)到引力波嗎？

能不能找到它？

盡管在當(dāng)時(shí)看來(lái)，愛(ài)因斯坦的很多理論驚世駭俗，甚至諾貝爾頒獎(jiǎng)委員會(huì)在給他頒獎(jiǎng)時(shí)也只提了他的光電效應(yīng)，但是他的相對(duì)論卻在后世被一一印證。那這位跨時(shí)代的科學(xué)巨匠所預(yù)言的引力波，會(huì)被找到嗎？

老實(shí)說(shuō)，這真的有點(diǎn)難。

首先，引力波的傳播速度很快，與光速相同，沒(méi)有任何速度能夠超過(guò)它；其次，我們無(wú)法感知到引力波的擴(kuò)散——不管你的時(shí)空被輕微拉長(zhǎng)或者壓扁，你都不會(huì)有任何感覺(jué)，已有的物理儀器也一樣。當(dāng)然，這也帶來(lái)了一個(gè)好處，那就是，引力波在宇宙中的傳播幾乎不會(huì)衰減，即使空間的擾動(dòng)源離我們很遠(yuǎn)，它經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年后，依然能夠傳播到我們這里。唯一能夠跟上引力波的步伐，探測(cè)到它的，可能也只有光了?？茖W(xué)家決定用波長(zhǎng)恒定的激光來(lái)探測(cè)引力波，或者說(shuō)，用它來(lái)探測(cè)可能產(chǎn)生的時(shí)空扭曲。

為此，科學(xué)家啟動(dòng)了LIGO項(xiàng)目，他們?cè)O(shè)計(jì)了兩條垂直的光路進(jìn)行干涉，如果空間沒(méi)有扭曲，接收器就不會(huì)接收到激光，反之，激光就會(huì)照在接收器上。

不過(guò)，這個(gè)儀器要多靈敏呢？它必須能夠檢測(cè)出10～21米這么小的距離變化，或者說(shuō)，只相當(dāng)于質(zhì)子直徑的千分之一！

其結(jié)果就是，如此精密的設(shè)備極容易受到干擾——周?chē)牡刭|(zhì)活動(dòng)會(huì)影響它，車(chē)輛行駛會(huì)影響它……這好比是一個(gè)守財(cái)奴在喧囂的集市里專(zhuān)心地聽(tīng)哪位仁兄會(huì)掉一個(gè)鋼镚兒，然后趕緊沖過(guò)去踩住它。為此，項(xiàng)目組想到了一個(gè)絕妙的方案，他們?cè)诰嚯x遙遠(yuǎn)的地方分別設(shè)置了探測(cè)儀器，這樣，小范圍的擾動(dòng)就不可能同時(shí)干擾到兩臺(tái)儀器，而具有宇宙尺度的引力波顯然會(huì)同時(shí)作用到兩臺(tái)儀器上，于是，兩組儀器同時(shí)產(chǎn)生響應(yīng)才算有效。之后，科學(xué)家還要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)和排除。后來(lái)，意大利的VIRGO引力波探測(cè)器也加入了聯(lián)合探測(cè)，三地聯(lián)合測(cè)量，使結(jié)果更加準(zhǔn)確。此外，LIGO又升級(jí)了一次，變成了aLIGO。萬(wàn)事俱備，只欠東風(fēng)。

來(lái)自黑洞的禮物

盡管小心謹(jǐn)慎，還鬧了一次烏龍。2010年9月，LIGO項(xiàng)目探測(cè)到了大概來(lái)自大犬座方向的引力波，整個(gè)項(xiàng)目組歡騰起來(lái)，甚至論文都寫(xiě)好了，然后有人站出來(lái)說(shuō)，他們對(duì)此事件負(fù)責(zé)……事實(shí)上，為了確保項(xiàng)目探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，還有一方人馬專(zhuān)門(mén)在背地里制造人為干擾，而負(fù)責(zé)探測(cè)的科學(xué)家卻并不知情。在這樣的短兵交鋒中，“紅方”在“藍(lán)方”的壓迫下升級(jí)技術(shù)，完善理論，一點(diǎn)一點(diǎn)提升可靠度。所有這一切，都為了小心謹(jǐn)慎，以便在真正的探測(cè)到引力波時(shí)，既不會(huì)錯(cuò)失機(jī)遇，又具有足夠的說(shuō)服力。

2015年9月14日，LIGO項(xiàng)目終于探測(cè)到了引力波！

經(jīng)調(diào)查，這應(yīng)該是兩個(gè)大質(zhì)量的黑洞在相互繞行后碰撞在一起造成的。強(qiáng)烈的撞擊釋放了巨大的能量，造成了時(shí)空的劇烈震蕩，然后，經(jīng)過(guò)10億年的漫長(zhǎng)旅行，其產(chǎn)生的引力波終于傳到了地球，并被守株待兔的科學(xué)家所截獲。

之后，科學(xué)家又花了幾個(gè)月的時(shí)間來(lái)確認(rèn)其可靠性，終于在2016年年初得到了肯定的結(jié)果。自此，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論得到了一個(gè)強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)支持，這位偉大的物理學(xué)家又對(duì)了！

而這也為我們打開(kāi)了一個(gè)新的紀(jì)元——我們獲得了一種新的觀測(cè)手段，將能夠通過(guò)引力波來(lái)察看宇宙，獲知天體演化，甚至探求那些余波，追溯到宇宙起源之初，從而更好地理解宇宙。長(zhǎng)久以來(lái)，人類(lèi)渴望在知識(shí)上超越時(shí)空，而現(xiàn)在，我們又向前邁出了一步。