引力波：帶人類“傾聽”宇宙之聲

璀璨

北京時間2016年2月11日23時40分左右，激光干涉引力波天文臺（以下簡稱LIGO）負責人、加州理工學院教授David Reitze宣布，人類首次發(fā)現(xiàn)了引力波。

就如同石頭被丟進水里產(chǎn)生的波紋，引力波是一種時空漣漪。如今，這種漣漪終于被科學家發(fā)現(xiàn)了。能發(fā)現(xiàn)引力波，說明人類深空探測技術(shù)已經(jīng)取得突飛猛進的發(fā)展，今后“傾聽”宇宙之聲將越來越輕松。相信人類會“聽”到或“看”到更多的宇宙故事。而引力波自身，據(jù)說蘊含著宇宙誕生的巨量信息，并能夠證明各種預見性理論。

在一片嘈雜的背景噪音中，一聲“噗”的清脆聲響，如水滴落水，持續(xù)時間短暫得不到1秒鐘，這正是由引力波轉(zhuǎn)化成的宇宙之聲。2月11日在華盛頓召開的記者會上，美國LIGO科學家現(xiàn)場播放了來自宇宙的“聲音”，

這個聲音源自于13億年前一個雙黑洞系統(tǒng)的合并。正如LIGO項目組發(fā)言人、路易斯安那州立大學物理學家加布里埃拉，岡薩雷斯所言，那時“多細胞生物才開始在地球上擴散”。合并所產(chǎn)生的引力波信號，經(jīng)過13億年的漫長旅行。于2015年9月14日抵達地球，被LIGO的兩個探測器以7毫秒的時間差先后捕捉到?！拔覀兡軌颉犚娨Σǎ覀兡軌颉犚娪钪?，這是引力波最美妙的事件之一。我們將不僅‘看見宇宙，還將‘傾聽它?！奔硬祭锇＠?，岡薩雷斯在記者會上介紹。

黑洞、中子星等天體在碰撞過程中有可能產(chǎn)生引力波。1915年，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對論，并在隨后幾年的一些論文中預言引力波會產(chǎn)生于強引力場的天體事件。廣義相對論的其他預言如光線的彎曲、水星近日點進動以及引力紅移效應都已獲證實，唯有引力波一直徘徊在科學家的“視線”之外。

百年來，科學家們對引力波的探測未曾停歇，但舉步維艱。直至20世紀70年代。曾有美國科學家在觀測雙星系統(tǒng)的過程中，發(fā)現(xiàn)引力波存在的間接證據(jù)，并因此獲得1993年諾貝爾物理學獎。百年來，也不斷有實驗聲稱直接探測到了引力波，并造成過轟動效果，其中包括20世紀60年代的韋伯實驗，以及2014年的BICEP實驗，但后來都被證明是烏龍。

這么神奇的波，來頭不小。它到底有多重要？

先來認識下引力。它無處不在，主導了宇宙和星系。引力是人類最早定量認識的相互作用。牛頓發(fā)現(xiàn)引力后的幾百年，物理學進展很快。

盡管牛頓的萬有引力定律有著幾乎完美的實驗驗證，但觀念上把時間和空間分開考慮。而1915年愛因斯坦提出的廣義相對論，進一步研究了引力和“時空幾何”的關(guān)系，認識到引力是一種非常特殊的相互作用。這革新了牛頓的引力觀念和時空觀念，

廣義相對論論證的一個重點就是，引力的本質(zhì)是時空幾何在物質(zhì)影響下的彎曲。電影《星際穿越》里，一個質(zhì)量超級巨大的星球，周圍的時空是會發(fā)生扭曲的，星球質(zhì)量越大，時空扭曲就越厲害，光和時間概念都發(fā)生了改變。起伏、震顫、波浪……你可以用各種詞匯來形容你所理解的時空扭曲。

1916年，愛因斯坦又在廣義相對論框架下發(fā)表論文，論證了引力的作用以波動的形式傳播。這就是引力波的由來。

眼見為實。人類只相信真實探測到的。遺憾的是，引力波太“高冷”，人類百年來一直不能探測到它的存在。為什么？

由于引力波產(chǎn)生的效應很小，如果不主動排除外界干擾，不可能從“背景波動”中分辨出引力波信號。地震波、火車噪聲、觀測設(shè)備本身的極微小活動等都會構(gòu)成干擾。

可是，技術(shù)是飛速發(fā)展的。一些剛升級的探測器也許能讓物理學家一“睹”引力波的真面目，其中之一便是LIGO。這個位于美國路易斯安那州利文斯頓市與華盛頓州小城漢福德市之間數(shù)公里長的觀測設(shè)施已于不久前完成改造工作，其探測靈敏度比5年前提高了10倍。

毫無疑問，引力波是對廣義相對論的一個最直接的驗證。另外，它在弱場中已經(jīng)得到驗證，但是對已強引力之下的驗證，之前卻從來沒有驗證過。所以此次觀測，是對廣義相對論的一個非常好的檢驗。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宇宙幾乎無阻擋的圖景，而這個幾乎是無法利用我們熟知的電磁波來達到的。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秒開始的宇宙形成過程，而對于電磁波而言，它最早只能看到大爆炸后的大約300，000年之后的宇宙歷史，在此之前，電磁波是不能給我們提供的。所以引力波是我們了解宇宙形成的最好工具。

在《星際穿越》電影中的結(jié)尾之時，主人公庫珀身處一個五維時空的超體方體中，為了將從黑洞中心所提取出來的信息傳遞給身處四維時空的女兒墨菲，人為地制造引力波效應，成功將信息傳遞，從而人類得以解救。從目前物理學家的認識來看，引力波是唯一一種可以在不同維度傳播的波。不同宇宙之間的碰撞，會產(chǎn)生引力波。說不定在不遠的將來，我們也可以依靠引力波來判斷多重宇宙的存在與否。

歷史的發(fā)現(xiàn)軌跡告訴我們，每一扇新的窗口被打開，都會有令人稱奇的發(fā)現(xiàn)。雖然LIGO的探測能力還是有限，一旦這個引力波的世界被撬開了一道小小的裂縫，讓我們看到了春天的種子，相信碩果累累的引力波豐收季節(jié)也不會太遠。

責編/花語