話題之王引力波

馮小寶

物理學(xué)的豐收月

回顧2017年科學(xué)界的大事件，引力波是必然要提到的超熱話題。整個(gè)10月，全世界媒體的目光都因?yàn)橐Σǘ杏谖锢韺W(xué)。

10月3日，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)青睞引力波，頒給了與之相關(guān)的科學(xué)家：麻省理工學(xué)院雷納·韋斯、加州理工學(xué)院巴里·巴里什和基普·索恩因“為激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）以及引力波的觀測(cè)作出決定性貢獻(xiàn)”而獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

10月16日，全球數(shù)十家著名天文機(jī)構(gòu)舉行新聞發(fā)布會(huì)，宣布人類第一次直接探測(cè)到來(lái)自雙中子星合并的引力波，并同時(shí)“看到”了這一宇宙事件發(fā)出的電磁信號(hào)。中國(guó)第一顆空間X射線天文衛(wèi)星——“慧眼HXMT”望遠(yuǎn)鏡也對(duì)此作出了貢獻(xiàn)。

這兩條大新聞都圍繞著引力波，科學(xué)界對(duì)此反應(yīng)熱烈，科學(xué)家歡欣鼓舞。但對(duì)非專業(yè)人士來(lái)說(shuō)，恐怕根本分不清這兩條新聞?dòng)惺裁床顒e，只感覺(jué)似乎一夜之間所有媒體都在談?wù)撘Σ?。至于新聞里提到的其他名詞——黑洞、中子星……不是早就在物理學(xué)的相關(guān)書籍和新聞里出現(xiàn)過(guò)了嗎？為什么科學(xué)家和媒體還會(huì)如此激動(dòng)？要明白這一點(diǎn)，我們必須回溯到牛頓的經(jīng)典物理學(xué)被顛覆的時(shí)刻，了解引力波理論的來(lái)源。

十分重要的證據(jù)

牛頓的經(jīng)典物理學(xué)清晰、嚴(yán)謹(jǐn)、優(yōu)美，我們?cè)谥袑W(xué)階段學(xué)習(xí)的大部分力學(xué)內(nèi)容，都屬于牛頓力學(xué)，其中萬(wàn)有引力就是一個(gè)十分重要的知識(shí)點(diǎn)。在牛頓力學(xué)體系中描述的萬(wàn)有引力，沒(méi)有時(shí)間的存在。在兩個(gè)有質(zhì)量的物體之間，萬(wàn)有引力瞬時(shí)發(fā)生，傳遞不需要時(shí)間。但愛因斯坦的廣義相對(duì)論推翻了這一點(diǎn)，認(rèn)為引力的傳遞是需要時(shí)間的。一個(gè)有質(zhì)量的物體會(huì)彎曲時(shí)間與空間，這種彎曲向外傳播，導(dǎo)致另一個(gè)物體受力情況改變，這就產(chǎn)生了萬(wàn)有引力。

引力源質(zhì)量改變，導(dǎo)致引力振蕩，就會(huì)形成引力波（想想物理課本中石子投在水中產(chǎn)生水波的例子），仿佛時(shí)空的漣漪。它以光速傳播。

現(xiàn)在你明白引力波為什么這么受重視了吧？因?yàn)樗且粋€(gè)極其重要的證據(jù)，能夠推翻一個(gè)原本被廣為接受的理論，證實(shí)一個(gè)新的理論。

或許對(duì)生活在21世紀(jì)的你來(lái)說(shuō)，愛因斯坦已經(jīng)被捧上了神壇，牛頓力學(xué)什么的，不是早就被推翻了嗎？不不不，我們所看到的，只是科學(xué)爭(zhēng)論的結(jié)果。有一些證據(jù)被找到了，但還有更多的細(xì)節(jié)和證據(jù)，需要科學(xué)家在探索研究中去尋找、發(fā)現(xiàn)。引力波就是其中十分重要的一個(gè)，剛剛出爐，新鮮熱乎。

難度MAX的探測(cè)

2015年9月14日，LIGO探測(cè)到了兩個(gè)黑洞合并發(fā)出的引力波，這是人類第一次直接探測(cè)到引力波。此后，LIGO又在2015年12月26日、2017年1月4日和2017年8月14日探測(cè)到了引力波。

2016年2月12日，LIGO合作組宣布了2015年首次探測(cè)到引力波的消息，2017年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就被頒給了相關(guān)科學(xué)家。這在這項(xiàng)大獎(jiǎng)的歷史上十分少見，大多數(shù)獲獎(jiǎng)?wù)咴诎l(fā)布成果后，等待了十幾年甚至幾十年，才獲得了諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)委會(huì)的肯定。只有少數(shù)幸運(yùn)兒（如楊振寧、李政道、賴爾等人），才像2017年的這三位獲獎(jiǎng)?wù)咭粯樱芸焓艿角嗖A。

科學(xué)成果與獎(jiǎng)項(xiàng)之間的時(shí)間延遲是十分正常的，因?yàn)楹芏喑晒枰?jīng)過(guò)時(shí)間的檢驗(yàn)。一些十分重要的科學(xué)理論，往往要經(jīng)歷很多爭(zhēng)論，有時(shí)候甚至因?yàn)闆](méi)有驗(yàn)證它的條件，而無(wú)法很快獲得科學(xué)界的廣泛認(rèn)可。

引力波就是一個(gè)驗(yàn)證難度極大的對(duì)象，探測(cè)它的技術(shù)難度太大了。以2015年首次探測(cè)到的引力波為例：LIGO的干涉儀的臂長(zhǎng)發(fā)生了4×10-18米的改變。

多信使的新時(shí)代

兩個(gè)黑洞，一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)于36個(gè)太陽(yáng)，另一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)于29個(gè)太陽(yáng)。這兩個(gè)黑洞合并后的黑洞，質(zhì)量相當(dāng)于62個(gè)太陽(yáng)，于是就有相當(dāng)于3個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為引力波的能量。這么大能量的引力波，跨越13億光年，穿過(guò)LIGO的兩個(gè)探測(cè)器（一個(gè)位于美國(guó)華盛頓州漢福德，一個(gè)位于美國(guó)路易斯安那州利文斯頓），才讓它們的臂長(zhǎng)有了這么一點(diǎn)點(diǎn)的改變，才讓人類能夠探測(cè)到。

如果說(shuō)，探測(cè)到了引力波，是知道有兩個(gè)“大塊頭”在很遠(yuǎn)的地方發(fā)生了“火并”，那么關(guān)于這兩個(gè)“大塊頭”的詳細(xì)信息，我們就沒(méi)法知道了。我們對(duì)遠(yuǎn)距離天體的了解，往往來(lái)源于其發(fā)射的電磁波，而黑洞合并時(shí)幾乎不發(fā)射電磁波。2017年10月16日發(fā)布的大新聞，是說(shuō)中子星的合并，不僅有LIGO在2017年8月14日探測(cè)到的引力波，還有伴隨著這次引力波發(fā)出的電磁波，它被全球多臺(tái)電磁望遠(yuǎn)鏡“看”到了。因此，很多新聞都說(shuō)，這是人類第一次“看到”引力波。與黑洞合并不同，中子星合并不僅產(chǎn)生引力波，還會(huì)拋射出少量物質(zhì)，因此會(huì)發(fā)出多種電磁輻射。在這次觀測(cè)中，科學(xué)家找到了該合并事件中與引力波對(duì)應(yīng)的電磁輻射。

從此之后，我們可以用全新的手段去探索宇宙，引力波加入了電磁波、中微子等探測(cè)宇宙的隊(duì)伍，多信使天文學(xué)的時(shí)代來(lái)臨了！endprint