引力波有什么用？

蘇凱米

目前如果要評選科學界最前沿、最熱門的研究領域，大多數(shù)人會把選票投給引力波，因為該領域的科學家兩年內(nèi)4次捕獲來自黑洞的引力波、1次獲得諾貝爾獎，并且該領域?qū)λ锌萍及l(fā)達國家的研究計劃產(chǎn)生了影響。

又見引力波

值得慶幸的是，在剛剛過去的2017年10月，科學家又宣布，在8月17日，美國激光干涉儀引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，簡稱LIGO）和歐洲處女座引力波天文臺（VIRGO）從兩個相隔千里之地同時首次捕獲到中子星碰撞所發(fā)出的引力波。這是科學家近一年多來第5次檢測到引力波，前4次是黑洞合并所產(chǎn)生的引力波，而這次是中子星碰撞所發(fā)出的引力波。

中子星是恒星演化到末期，經(jīng)由超新星爆炸之后，可能形成的產(chǎn)物之一。在其形成過程中，恒星會遭受劇烈的壓縮，內(nèi)部物質(zhì)中的電子并入質(zhì)子后形成中子，最終成為直徑只有十幾千米，質(zhì)量卻是太陽數(shù)倍的致密星體。中子星的許多天文現(xiàn)象很有觀測價值，比如中子星的密度極高，每立方厘米便可重達數(shù)十億噸，當兩個致密的中子星進一步碰撞合并時，瞬間釋放出巨大能量，這時天空中一些方向的伽馬射線強度會在短時間內(nèi)突然增強，產(chǎn)生所謂的“伽馬射線暴”。

這次的發(fā)現(xiàn)過程是這樣的：

首先，LIGO與VIRGO同時捕獲到一個持續(xù)時間為1百秒左右的新引力波信號，通過對信號特點的分析，科學家認為這是兩顆中子星并合產(chǎn)生的。引力波信號到達后大約1.7秒，美國國家航空航天局（NASA）的費米衛(wèi)星探測到了一個伽馬射線暴。由于引力波信號和伽馬射線暴同一時間來自天空同一區(qū)域，科學家認為兩者必然是由同一個天文事件產(chǎn)生的。

隨后，世界各地的天文學家都接到LIGO通知，紛紛動用一些最先進的望遠鏡，比如錢德拉X射線空間望遠鏡、哈勃空間望遠鏡、甚大望遠鏡以及阿塔卡瑪大型毫米波天線陣，對相關區(qū)域展開觀測。

后續(xù)的天文觀測持續(xù)了數(shù)周，結(jié)合這1百秒左右引力波的數(shù)據(jù)，科學家可以對這一天文學事件做出全面的描述。大約在1.3億年前，長蛇座尾部的“NGC4993”星系中，兩個比太陽略重的中子星不期而遇，它們剛開始相距約400千米，以每秒12圈的速度圍繞彼此轉(zhuǎn)動。巨大的質(zhì)量攪動著宇宙，傳出一陣陣時空的漣漪——引力波。

隨著中子星越靠越近，兩者轉(zhuǎn)速逐漸增加到每秒2000圈，引力波的“哨音”也愈發(fā)急促。終于，兩個中子星碰撞在一起，10億℃的高溫物質(zhì)從碰撞處噴涌出來。巨大的沖擊波也在穿過噴涌物質(zhì)時，散發(fā)出強烈的伽馬射線。這些光、宇宙射線和引力波一起，以光速行走了1.3億年，終于來到地球，被人類察覺。

“多信使天文學”

這次捕獲到中子星碰撞所發(fā)出的引力波，對天文學研究產(chǎn)生里程碑式的發(fā)展。

我們常說，天文學研究是“盲人摸象”，因為宇宙太大了，要了解它太難了，一種觀測方式往往只能了解片面的信息。從古人單憑肉眼仰望星辰，到伽利略首次用天文望遠鏡對向夜空，人類觀測宇宙的唯一方式曾經(jīng)就只有用眼去看，但這種觀測受到天氣條件的約束，而且許多星體是肉眼看不到的。

隨著科學的發(fā)展，人們逐漸認識到在可見光之外，宇宙中還存在X射線、無線電波等看不見的射線。通過探測它們，可以觸摸到宇宙這只“大象”的另外一些方面，比如黑洞的引力讓光線也無法逃脫。人們無法看見黑洞，但是它會釋放出很強的X射線，這讓天文學家得以分析黑洞的若干性質(zhì)。所以，現(xiàn)代科學家所研究的就是“電磁波天文學”——用可見光、X射線、無線電波等不同波段的電磁波來“看”天文現(xiàn)象。

然而，引力波是與電磁波本質(zhì)不同的物理現(xiàn)象，百年前愛因斯坦的廣義相對論指出，引力波記錄的是時空變化的“漣漪”，它與物質(zhì)的相互作用非常弱（不像電磁波），其攜帶的來自波源的信息恒久不變。通過這種全新的物理現(xiàn)象，科學家又有了一種“聽”天文的方式，使“電磁波天文學”會進化為“多信使天文學”，既可以利用電磁波“看”，又可以用引力波“聽”天體，并且還可以利用電磁波“看”那些用引力波“聽”到的天體。此次的“中子星碰撞”就是用這種手段來研究的——科學家僅靠引力波數(shù)據(jù)就了解了中子星碰撞的過程、確定了伽馬射線暴的起源，然后利用電磁波又“看”到這次碰撞。

接下來，科學家會用同樣的技術(shù)手段（LIGO、VIRGO）觀察更多的黑洞、中子星合并產(chǎn)生的引力波，以后可能每天都有新發(fā)現(xiàn)。同時，多信使天文學還有兩個更重要的方向要去探索。一是去探索更加微弱的引力波。按照愛因斯塔的理論，引力波信號的強弱與發(fā)射源的質(zhì)量和遠近有關。目前科學家所捕獲的引力波信號，要么來自黑洞，要么來自近距離的中子星，都是比較容易找到的。而宇宙中更多的引力波源自數(shù)目龐大的小星體，比如行星、白矮星，它們活動更頻繁，但發(fā)射的引力波信號就要弱許多。但目前，LIGO、VIRGO的技術(shù)還達不到能測到它們的精度。

另一個更偉大的目標，就是嘗試收集宇宙大爆炸產(chǎn)生的初始引力波。因為引力波不會衰減，所以初始引力波很可能還在宇宙中回蕩。找到它們，或許能夠幫人類開始認識宇宙起源與物質(zhì)創(chuàng)生的秘密，甚至有可能開始探測光產(chǎn)生之前的原始宇宙。

科學理論推測，138億年前，大爆炸發(fā)生之后的一段時期里，宇宙里充斥著非常熱的光子、電子、質(zhì)子組成的等離子態(tài)物質(zhì)，它們組成了高溫、高密度的帶電漿云。光子在這團漿云中不斷與電子和質(zhì)子發(fā)生散射，根本跑不出這鍋熾熱的粒子粥。所以，最初的那38萬年的宇宙，我們是無法看到的。直到大爆炸發(fā)生38萬年后，隨著宇宙膨脹和冷卻，原子開始形成，帶電漿云漸漸散開，宇宙中就有了可以傳播的光線（運動的光子）——這也是“電磁波天文學”可以研究的所有天文現(xiàn)象的“時間起點”，如果要研究這之前的事情，只能寄希望于初始引力波。但初始引力波的頻率更低，波長跟整個宇宙的尺度差不多，對技術(shù)要求更高，雖然我們不知何時才能實現(xiàn)，但這還是給我們帶來了希望和研究方向。

引力波還能干什么？

最后，我們無法免俗，還是要來討論一下引力波對于普通人有何價值，畢竟“宇宙時空”這種事離我們太遠了。其實，科學家在探索引力波過程中帶來的科技進步，已經(jīng)有不少能夠轉(zhuǎn)化為民用。

以世界上最重要的引力波探測天文臺即美國的LIGO為例，它耗資數(shù)億美元，由上千位科學家花費40年時間建成，但目前仍需要繼續(xù)“升級”。原因就在于，引力波是非常微弱的，地殼運動的震顫、數(shù)千千米外海浪拍打巖石的聲音、溫度的略微上升，都可能對探測造成影響。為了保證抗干擾能力，LIGO須把精度技術(shù)提升到極致。

比如，LIGO使用的鏡片由高純度的二氧化硅制作，能夠做到每射來300萬個光子，只有一個光子會被鏡子吸收，即只擋住了一個光子?？梢哉f鏡片甚至比空氣還要通透，該技術(shù)可以用于醫(yī)療、手機、相機；探測引力波時，LIGO激光在天文臺內(nèi)反射400次，光路總長度達到1600千米，但仍能做到不發(fā)散、不衰減，其中必然使用了高超的激光功率放大技術(shù)，那么或許可以給無人駕駛汽車中的激光雷達提供一些借鑒；LIGO真空系統(tǒng)內(nèi)的壓強，可以做到海平面大氣壓強的一萬億分之一，如此高程度的真空技術(shù)，對于需要防塵的半導體加工工業(yè)應該同樣有用；而LIGO的減震抗震系統(tǒng)，在軍用導彈存儲方面可以照搬應用。

那么，引力波本身能干什么？可以說，在能夠預見的將來，引力波對于日常生活幾乎毫無用處，最多也只能給導演或者作家提供一些創(chuàng)作靈感，比如電影《星際迷航》、《星際穿越》以及小說《三體》中都有關于引力波的橋段。不過，當初人類最開始意識到電磁波存在時，也并沒有感覺到電磁波有什么用，如今，電磁波卻在微波爐、手機、航空中不可或缺。由此推測，引力波也許能夠重復這個故事。

小貼士

當老年恒星的質(zhì)量大于太陽質(zhì)量的約30倍時，由于引力很大，把原子核中的中子和質(zhì)子都壓碎，成為夸克，這樣由夸克組成的星體稱為夸克星；比夸克星質(zhì)量更大的老年恒星會形成黑洞，比夸克星質(zhì)量小的老年恒星，如質(zhì)量是太陽質(zhì)量的8～30倍時，會形成中子星，質(zhì)量小于8個太陽的恒星往往只能變化為一顆白矮星。endprint