引力波碰撞“生”黑洞

石無魚

球面波和平面波

引力波是大質(zhì)量物體（如黑洞、白矮星等）運動、碰撞時產(chǎn)生的時空漣漪。大多數(shù)引力波都是球面波，就是說，當(dāng)它們向外傳播的時候，就像球膨脹起來一樣，以一個點為中心，向四面八方均勻地傳播。引力波傳播越遠，強度越小——譬如說，兩顆白矮星碰撞，在碰撞點引力波本來是很強的，但傳到我們遙遠的地球上，強度就衰減到僅能讓長4千米的引力波探測器伸縮大約一個質(zhì)子直徑的千分之一了。

但是，引力波并非只能是球面波。當(dāng)高能物體或粒子以接近光速運動時，理論上說會產(chǎn)生一種不同類型的引力波：平面波。平面波在生活中不太常見。潮汐就是近似平面波的一個例子。你看潮汐來的時候，在開闊的海面上，一排排整齊的浪涌來又退去，這是一列列的平面波在運動。還有，你在池塘上扔下一塊石頭，圓形的水波蕩漾開去，傳到遠處，看起來幾乎就像平面波了。事實上，前幾年由美國激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）探測到的引力波，傳到地球上，幾乎就可以看作是平面波了。

平面波的強度是不會隨距離衰減的，因為它的能量不像球面波那樣發(fā)散。就像牛頓第一運動定律所說的那樣，在不存在外力的情況下，運動的物體都會保持勻速直線運動，平面波也是一樣。所以，如果不考慮障礙和吸收，平面波傳到任何地方都能保持一樣的強度。

平面引力波的“碰撞”

最近，美國的兩位理論物理學(xué)家考慮了這樣一個有趣的問題：假如有兩列以平面波形式傳播的引力波面對面相遇，會發(fā)生什么事情？

他們做了電腦模擬。

他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩列波的強度較小時，它們會像一般的平面波一樣，在相遇時有的地方振幅變大，有的地方振幅變?。ㄟ@就是所謂“波的疊加”），等到相遇結(jié)束，兩列波將若無其事地繼續(xù)各自往遠處傳播。

但是，如果這兩列引力波足夠強，事情就完全不同了：它們在相遇疊加的時候，如果疊加后的振幅大到一定程度，某個地方的時空彎曲得過于厲害，就會自動蜷縮起來，坍塌成一個黑洞。黑洞形成后，將把波中85%的能量吞噬掉，剩下的15%中，一小部分能量在外圍繞著黑洞旋轉(zhuǎn)，其余能量則向外傳播。

其實，就一般的平面波而言，不論強度如何，它們在相遇，在發(fā)生過波的疊加之后，都會若無其事地各自傳播——這也是波的“碰撞”不同于粒子的碰撞的特點。而引力波之所以在強度足夠大時，會有如此與眾不同的表現(xiàn)，是因為：對于別的波，時空只是它們運動的背景;而引力波，它們本身就是時空的波動。

黑洞并不容易產(chǎn)生

2008年，當(dāng)歐洲大型強子對撞機首次投入使用的時候，也有人曾在理論上預(yù)言，高能粒子相撞會形成微型黑洞，當(dāng)時還引發(fā)了一些人的恐慌。現(xiàn)在看來，不管當(dāng)初提出的粒子相撞形成微型黑洞的機制是什么，對撞機將粒子束加速到接近光速，然后讓它們碰撞——這個過程是可以產(chǎn)生平面的引力波的。如果引力波足夠強，那么按最近這兩位美國物理學(xué)家的看法，就能產(chǎn)生微型黑洞。

不過，目前這些粒子束還沒有足夠的能量制造出一個形成黑洞的引力波，要做到這一點，需要建一個比太陽系還大的粒子對撞機。不要說地球上的對撞機不能，就是在全宇宙，目前也還沒有發(fā)現(xiàn)任何東西能產(chǎn)生可以通過對撞形成黑洞的平面引力波。

所以美國的兩位理論物理學(xué)家提出的“引力波強度大時可以形成黑洞”理論，沒法驗證，也只能停留在紙面上了。