時空聯(lián)連時星辰之聲

曲婷婷

當(dāng)“人類首次直接探測到引力波”的新聞發(fā)布之后，一波波關(guān)于引力波的資訊在新聞媒體、論壇、微博等信息平臺上刷屏，就算不怎么關(guān)注科技新聞的人，也會在這一波科普大潮中，了解到愛因斯坦關(guān)于引力波的預(yù)言，感覺到引力波是多么重要的發(fā)現(xiàn)。筆者更想為你揭示，與引力波相關(guān)的時空與星辰之美，是這個宇宙亙古亙今的秘密。

理論基石 振蕩時空

經(jīng)過近一個世紀(jì)，廣義相對論從一個當(dāng)時多數(shù)物理學(xué)家不理解的抽象引力理論，發(fā)展成為現(xiàn)代物理學(xué)中的一個基礎(chǔ)理論。它指出，引力是因為質(zhì)量對時空造成了變形所導(dǎo)致的，這令很多人難以理解——時空也會發(fā)生變形？這意味著，我們所存在的時空可以被當(dāng)作一種可變形的“介質(zhì)”來認識，引力波就是在這種“介質(zhì)”中振蕩的波。

對于“波”，我們并不陌生，生活中有機械波（如聲波、水波）、電磁波（如可見光波、無線電波）……機械波的傳播需要介質(zhì)，比如水波，一顆石子扔進水中，水波就以石子入水處為中心向外振蕩傳播開來，這是通過水中每一點的周期性上下振動傳播的，水就是水波傳播的介質(zhì)。電磁波的傳播不需要介質(zhì)，它是電場和磁場的強度隨時間周期性變化，并在空間中相互轉(zhuǎn)化，將能量傳遞出去形成的。引力波的傳播不需要介質(zhì)，它也不是能量在空間中傳遞所形成的波，而是空間本身的周期性變化所產(chǎn)生的波。

想象一下，我們在電影院看著白色銀幕上放映的電影，畫面中有一顆石子掉入了水中，激起了一層層水波。此時吹來了一陣風(fēng)，銀幕隨風(fēng)抖動，畫面看起來扭曲了。在這個例子中，假設(shè)銀幕就是我們所處的時空，銀幕中的電影可看作“我們生活的世界”，而銀幕本身的抖動，就相當(dāng)于引力波，它會使我們看到的世界發(fā)生扭曲。當(dāng)然，在現(xiàn)實生活中，并沒有靠什么“風(fēng)”來產(chǎn)生引力波。如果“我們生活的世界”，即銀幕中的電影有運動的畫面，那么銀幕就會抖動。也就是說，如果空間中的質(zhì)量分布發(fā)生了劇烈變化，就會使空間本身產(chǎn)生波動，形成引力波。

我們也可以把空間想象成一塊巨大的橡膠膜，那些有質(zhì)量的物體就會讓橡膠膜變得彎曲，如同在蹦床上放一個保齡球，質(zhì)量越大，空間就會被扭曲得越厲害，形成引力波。

根據(jù)這一理論，我們來重新認識地球圍繞太陽的公轉(zhuǎn)運動：太陽質(zhì)量非常大，導(dǎo)致其周圍的空間產(chǎn)生了非常大的變形，如果你想在這巨大的變形空間周圍以直線運動，就會發(fā)現(xiàn)自己其實沿著一個圓周在運動，這就形成了地球的公轉(zhuǎn)軌道。以前牛頓力學(xué)解釋行星的運轉(zhuǎn)，是力拉著行星運轉(zhuǎn)，廣義相對論則視其為空間彎曲的結(jié)果，宇宙因此呈現(xiàn)出全新的圖景。從此，星辰和宇宙不再是毫不相干的孤寂星體與廣袤空間，而是充滿振蕩與彎曲的時空漣漪。

其實，凡是有質(zhì)量或者能量的物體都能夠產(chǎn)生引力波。甚至當(dāng)你我開始跳舞時，也能夠引起時空的波動。但大多數(shù)時空波動都十分微小，無法被感知或被探測到。比如，地球繞太陽公轉(zhuǎn)因引力波輻射損失的能量，大概只有約200瓦，與一臺洗衣機的功率差不多，可想而知，一般物體產(chǎn)生的引力波有多微弱了吧。

傾聽星辰 宇宙廣播

引力波如此微弱，自然十分難以探測。而且，如果把探測器建在地球上，其規(guī)模不會太大，所觀測的引力波源也受到限制。如此次探測到引力波的LIGO（激光干涉引力波觀測站），所觀測的引力波頻率范圍是30～7000赫茲，波長范圍40～10000千米，對應(yīng)的是中子星合并、超新星爆發(fā)等活動。因此，星星們在時空中的振蕩，雖然無時無刻不在發(fā)生，但要想觀測到，是非常不容易的事。

引力波也是星星對宇宙的廣播。在著名科幻小說《三體》中，引力波天線可是一個重要的道具。地球人為了應(yīng)對三體人的侵略，威脅把三體星系的坐標(biāo)在宇宙中廣而告之，宇宙廣播的工具就是引力波天線。要在地球上建造引力波天線可比建造引力波探測器難多了。引力波天線要發(fā)出能被別人探測到的引力波，就必須產(chǎn)生極高質(zhì)量物體的振動。想想前文提到的地球圍繞太陽運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的引力波輻射功率吧，要什么樣的物體才能產(chǎn)生足夠功率的引力波呢？

《三體》提供了一個理論方案：引力波發(fā)射的基本原理是具有極高質(zhì)量密度的長弦的振動，最理想的發(fā)射天線是黑洞，可用大量微型黑洞連成一條長鏈，在振動中發(fā)射引力波……這對技術(shù)的要求太高了，近乎神話。所以《三體》假設(shè)了一種超密度的“簡并態(tài)物質(zhì)”構(gòu)成振動弦，比如頭發(fā)絲一般細的中子星物質(zhì)弦，就能輻射出全宇宙聽到的“廣播”了。即使如此“簡化”，對現(xiàn)在的技術(shù)水平來說，也仍然極其遙遠，還是讓它暫且存在于科幻小說中吧！