引力波：傾聽宇宙的聲音

肖振

當(dāng)我們往池塘里扔石子時(shí)，水面上會(huì)泛起陣陣漣漪，而引力波就是太空中的漣漪。就像空氣中的聲波或?qū)⑹^扔進(jìn)池塘表面產(chǎn)生的漣漪一樣，太空中大質(zhì)量物體的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起空間和時(shí)間結(jié)構(gòu)的扭曲。但和扔石頭不同的是，引力波是時(shí)空本身的振動(dòng)，不需要類似水這樣的波動(dòng)介質(zhì)，這意味著它們能在太空的真空中波動(dòng)。

人類很早就對引力波有猜想了。1915年，偉大的科學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦提出關(guān)于時(shí)空和引力的想法。

愛因斯坦預(yù)言，當(dāng)兩個(gè)物體（如行星或恒星）相互繞行時(shí)，這種運(yùn)動(dòng)可能會(huì)在太空中引起漣漪。這些漣漪會(huì)像池塘里的漣漪一樣擴(kuò)散開來，也就是引力波。引力波是看不見的。但是它們的速度非?？?，能夠達(dá)到光速行進(jìn)。引力波會(huì)擠壓和拉伸它們運(yùn)動(dòng)路徑上的任何事物。

1974年，天文學(xué)家喬·泰勒（Joe Taylor）和羅素·赫爾斯（Russell Hulse）追蹤了一對旋轉(zhuǎn)的脈沖星。當(dāng)這對脈沖星相互旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們越來越靠近，這表明它們正在釋放能量。計(jì)算表明，這種能量損失是以引力波的形式出現(xiàn)的，這一發(fā)現(xiàn)為泰勒和赫爾斯贏得了1993年的諾貝爾獎(jiǎng)。

2015年，美國科學(xué)家首次探測到引力波。他們使用了一種非常靈敏的設(shè)備，稱之為LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)）。科學(xué)家用LIGO探測到了兩個(gè)黑洞相互碰撞時(shí)發(fā)出的引力波。兩顆黑洞的初始質(zhì)量分別為29顆太陽和36顆太陽，合并成了一顆62倍太陽質(zhì)量高速旋轉(zhuǎn)的黑洞，虧損的質(zhì)量以強(qiáng)大引力波的形式釋放到宇宙空間，經(jīng)過13億光年漫長的時(shí)空旅行，終于抵達(dá)了地球。

引力波的首次探測是科學(xué)史上一個(gè)非常重要的事件。在此之前，人類對宇宙的了解幾乎都來自對光波的研究。現(xiàn)在通過研究引力波，我們有了一種新的方法來了解宇宙。

在過去，人類只能通過捕捉宇宙的光來探索宇宙的信息，而引力波可以讓我們聽到宇宙的聲音。

今天的引力波探測器可以發(fā)現(xiàn)中子星和黑洞碰撞產(chǎn)生的波。截至2018年底，科學(xué)家已經(jīng)探測到了10次黑洞合并和1次兩顆中子星碰撞事件。隨著更多探測結(jié)果的出現(xiàn)，天文學(xué)家將了解更多關(guān)于黑洞、中子星的信息。

對引力波的成功探測，也驗(yàn)證了愛因斯坦的相對論。在以往的引力理論預(yù)測中，光和引力波會(huì)在不同的時(shí)間段到達(dá)地球。而經(jīng)過探測證實(shí)，引力波和光波到達(dá)地球的時(shí)間相差只有幾秒鐘，這意味著兩者傳播速度一樣，和愛因斯坦的理論相符。

引力波也有助于人類揭開宇宙的其他秘密。通過分析引力波，科學(xué)家或許能很快解開宇宙膨脹速度的謎題，還可能揭示宇宙的最終命運(yùn)。

引力波對地球的影響比質(zhì)子的寬度小數(shù)千倍，質(zhì)子是構(gòu)成原子核的粒子之一。也就是說，引力波傳播得越遠(yuǎn)，引力波就越弱，就像池塘上的漣漪一樣。但是，引力波會(huì)拉伸和壓縮物體。假設(shè)LIGO首次探測到的黑洞合并和地球的距離，與地球距太陽的距離一樣遠(yuǎn)，那么這次合并發(fā)出的引力波就會(huì)把地球“拉長”90厘米。但人只會(huì)感受到百萬分之一米的壓力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于我們跳起來和落在地面上時(shí)感受到的力。

在LIGO科學(xué)合作組織近千名科學(xué)家中，有不少來自中國的科研人員，更有一個(gè)團(tuán)隊(duì)來自中國，那就是清華大學(xué)LIGO工作組。其它的引力波監(jiān)測計(jì)劃也在中國啟動(dòng)：中山大學(xué)啟動(dòng)了引力波探測工程“天琴計(jì)劃”；在貴州，中科院國家天文臺(tái)射電部的FAST射電望遠(yuǎn)鏡，號(hào)稱中國有史以來最大的天文項(xiàng)目；太極計(jì)劃是一個(gè)中歐合作的國際合作計(jì)劃，擬用激光干涉方法進(jìn)行中低頻波段引力波的直接探測。

2023年7月，中國科學(xué)院國家天文臺(tái)等單位科研人員組成的中國脈沖星測時(shí)陣列（CPTA）研究團(tuán)隊(duì)利用中國天眼FAST，探測到納赫茲引力波存在的關(guān)鍵性證據(jù)，表明我國納赫茲引力波研究已與國際同步達(dá)到領(lǐng)先水平。

在諾蘭的科幻電影《星際穿越》中，主人公被困在黑洞中的五維空間里，竟然可以用引力波撥動(dòng)處在過去時(shí)間的圖書，這種神奇的科幻場景雖然不太可能會(huì)在現(xiàn)實(shí)中出現(xiàn)，但也是根據(jù)引力波的科學(xué)原理展開的合理想象。隨著對引力波的探索更加深入，人類會(huì)了解更多宇宙的秘密，邁向更加遼闊的星辰大海。