發(fā)現(xiàn)與通訊：引力波的科幻想象

艾江濤+徐文齊

在以往的科幻作品中，引力波除被作為宇宙探測與發(fā)現(xiàn)的重要工具，還被視為星際旅行的重要通訊工具。

“科幻小說視黑洞為宇宙時(shí)間機(jī)器，或者通往平行宇宙之門?？墒钦嬲目茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，事實(shí)要比科幻小說怪得多。你會(huì)進(jìn)入一個(gè)世界，這里極大即極小，極小即極大，這里現(xiàn)實(shí)和幻想等價(jià)。”好萊塢影星摩根·弗里曼在一檔科普節(jié)目中如此解說。如果說在儒勒·凡爾納的時(shí)代，幻想領(lǐng)先于科學(xué)的想象，在這個(gè)時(shí)代，科幻卻往往跟在驚艷無比的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之后，尤其是涉及引力波、黑洞這樣超越人們認(rèn)知的宇宙事物。當(dāng)然，這并不妨礙科幻想象走得更為遙遠(yuǎn)和不羈。

幾百年來，人類通過望遠(yuǎn)鏡觀察天體發(fā)射電磁波的不同波段，以了解浩瀚宇宙中天體的溫度、年齡以及成分等特性，但截至目前，可觀測宇宙的比例不到5%。1916年，愛因斯坦通過廣義相對(duì)論預(yù)測了引力波的存在。在廣義相對(duì)論中，引力僅僅是彎曲時(shí)空的一種表現(xiàn)形式，引力波只是空間自身的震蕩，并不像光波那樣真正穿越空間而去傳播。由于這種特性，科學(xué)家們逐漸意識(shí)到，引力波將為“我們的宇宙電影配上聲音”，從而成為400年來探測寰宇最先進(jìn)、最根本的工具。然而諷刺的是，最先進(jìn)的探測宇宙的工具，本身卻極難探測。有人做過統(tǒng)計(jì)，將“泰坦尼克號(hào)”巨輪每秒旋轉(zhuǎn)一周，它的引力輻射還不到10-24瓦特。換言之，可探測的引力波主要源自超新星爆發(fā)、中子星高速自轉(zhuǎn)、雙黑洞旋轉(zhuǎn)合并等劇烈宇宙事件。而通過對(duì)原初引力波的觀測，人們甚至可以了解宇宙大爆炸發(fā)生后一兆兆兆分子一秒的引力輻射。

1974年，馬薩諸塞大學(xué)的羅素·胡爾斯和他的老師約瑟夫·泰勒用射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)脈沖雙星PSR1913+16，并經(jīng)過一系列嚴(yán)密的觀測與計(jì)算，證明雙星軌道距離的縮短，正是以引力波的形式損失能量的結(jié)果，從而找到引力波存在的間接證據(jù)。此后，隨著美國激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）等引力波探測機(jī)構(gòu)對(duì)探測器進(jìn)度的不斷升級(jí)，在許多物理學(xué)家看來，對(duì)引力波的直接探測已只是時(shí)間問題——終于，那聲來自宇宙深處的“?！?，在2016年2月11日，得到學(xué)界公認(rèn)。

與漫長精彩的引力波發(fā)現(xiàn)史相對(duì)應(yīng)，在科幻世界的版圖中，引力波的相關(guān)描述，主要出現(xiàn)于上世紀(jì)80年代之后，也即它自身被證明存在之后。在這些作品中，引力波從最初的想象性描述，到探測與發(fā)現(xiàn)的工具，乃至變?yōu)樾请H通訊乃至文明威懾的強(qiáng)大武器。此外，纏繞于黑洞、蟲洞、時(shí)空旅行等科幻作品中頻繁出現(xiàn)的概念，引力波在更多時(shí)候成為一個(gè)重要的背景性存在。這一點(diǎn)，正如知乎網(wǎng)一位網(wǎng)友的評(píng)論：“多年以后，當(dāng)人類造出曲速引擎開啟星際殖民時(shí)代的時(shí)候，一定會(huì)回憶起證實(shí)引力波存在的那個(gè)遙遠(yuǎn)的下午?！?h3>感受引力波

在1989年出版的科幻小說《復(fù)仇女神》中，艾薩克·阿西莫夫?qū)χ亓ΣǎㄒΣǖ牧硪环g）有過這樣的描述：“地球繞著太陽運(yùn)行，就如同羅特繞行艾利斯羅。如果太陽系中只有地球和太陽，那么地球幾乎永遠(yuǎn)循著相同路徑運(yùn)行。我說‘幾乎是因?yàn)殡S著運(yùn)轉(zhuǎn)，它將會(huì)放出重力波并消耗地球的動(dòng)量，而這將會(huì)非常非常緩慢地將它帶近太陽。我們可以忽略這點(diǎn)。”

阿西莫夫?qū)σΣǖ睦斫鉄o疑接近事實(shí)，只不過由于地球環(huán)繞太陽運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的引力波過于微小，這種“進(jìn)動(dòng)”顯得非常緩慢。然而，天文學(xué)家們已經(jīng)觀察到，當(dāng)兩顆中子星——超新星爆發(fā)的產(chǎn)物——彼此圍繞著高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于引力波輻射帶來的能量損失，兩者運(yùn)轉(zhuǎn)軌道每年都要縮短將近1米。正是緣于這種觀測，人類才尋找到了引力波存在的間接證據(jù)。

在2000年發(fā)表的短篇小說《重力礦場》中，史蒂芬·巴克斯特則直接描寫了人眼看見的引力波——宇宙時(shí)空震蕩中的真實(shí)漣漪。在小說情節(jié)設(shè)定的奇異時(shí)期，“銀河系的每一顆恒星都燃燒干凈之后，遺留下來的殘骸演變成了一個(gè)中央黑洞”，城市成了一個(gè)包含著巨大黑洞的巨網(wǎng)，人類則依附在城市的支柱之上。故事的主角安麗科，親眼目睹了城市中“正在合并中的巨大黑洞，它們的地平線扭曲了，質(zhì)量融合時(shí)凝固的引力波浪在表面清晰可見”。而根據(jù)蟲洞研究專家基普·索恩在《星際穿越》（為闡釋同名電影背后科技所作）一書中的解釋，安麗科要看到如此景象，除非像電影《星際穿越》中掉入黑洞的庫珀一樣，處在超立方體之中。

除了原理的描述，以及視覺的沖擊，科幻作家還渴望描述引力波帶給人更直觀的感受與體驗(yàn)。斯蒂芬·萊哈德在1985年出版的小說《太空烽火》（又譯《探奇費(fèi)瑞亞》）中，描寫了托勒等人在駕駛“西風(fēng)之神號(hào)”飛船穿越蟲洞時(shí)，所感受到的強(qiáng)烈沖擊：“托勒感到一股重力在拉動(dòng)他的腸子，血往上涌，眼前一片模糊，身子輕飄飄的，好像自己要飛起來一般，可胸部卻像被人放上了沙袋一樣的窒息難耐，骨頭也變得像鉛塊般地沉重。重力環(huán)繞著他，他的胃里一陣翻滾，心臟也仿佛在撞擊著自己的肋骨。”

托勒在這里感受到的其實(shí)只是引力帶給他的強(qiáng)烈沖擊，穿越蟲洞的身體感受，某種程度上類似于乘坐飛行器經(jīng)歷減速后降落地球的感受，至少在基普·索恩為電影《星際穿越》所建構(gòu)的蟲洞那里如此。應(yīng)導(dǎo)演克里斯托弗·諾蘭的要求，基普·索恩設(shè)計(jì)的蟲洞，引力比地球還弱，適度的引力，才能既維持“永恒號(hào)”圍繞蟲洞飛行，又能保證飛船在推進(jìn)器減速后，可以穩(wěn)定慢速地進(jìn)入蟲洞。

在地球上，人們對(duì)引力波的感受大約只有聽覺。在引力波被正式探測到之前，哥倫比亞大學(xué)的天體物理學(xué)家珍娜·萊文（Janna Levin），便通過長期對(duì)雙黑洞（華爾茲黑洞）的研究，試圖描述我們所能感到的引力波。在一檔科普節(jié)目中，她告訴大家，盡管人們不能看見黑洞，但可以通過聽引力波的方式，來研究黑洞本身的搖擺。她用手敲了敲桌子，說：“它的聲音和敲鼓差不多，鼓就是時(shí)空本身。當(dāng)小黑洞飛近大黑洞，頻率會(huì)變高，聲音加快，兩個(gè)黑洞轉(zhuǎn)作一團(tuán)，合二為一，這時(shí)會(huì)發(fā)出‘啵的一聲。”

發(fā)現(xiàn)：時(shí)空旅行的可能前提

作為三維世界的智慧生命，人類似乎從來沒有停止過時(shí)空穿越的夢(mèng)想，不論是在唐傳奇《枕中記》，還是美國作家華盛頓·歐文的小說《瑞普·凡·溫克》中，都有相似“黃粱一夢(mèng)”的奇境。而早在愛因斯坦廣義相對(duì)論的理論提出之前，在機(jī)器工業(yè)革命思潮的洗禮下，英國作家H.G.威爾斯在1895年出版的科幻小說《時(shí)間機(jī)器》中，未來人類已造出可以穿越時(shí)空隧道的時(shí)間機(jī)器。然而使時(shí)空旅行有了理論上的可能，則是在廣義相對(duì)論提出之后——引力、高速運(yùn)動(dòng)拉慢時(shí)間，成為時(shí)空旅行的關(guān)鍵。

回到未來似乎更為容易，問題僅僅在于你的運(yùn)動(dòng)速度是否夠快，所處的引力場是否夠強(qiáng)，如是，時(shí)間則會(huì)慢下來，但飛向未來更有可能只是一場傷感的單程旅行。根據(jù)測算，當(dāng)宇航員以接近光速的速度在太空旅行一年后，當(dāng)老了一歲的他回到地球，發(fā)現(xiàn)物是人非，地球上的人類已老去10年?；氐竭^去，則除了技術(shù)因素之外，還存在著諸如“祖父悖論”這樣的困境。

無論如何，在近百年來提出的種種時(shí)空旅行方案之中，利用“蟲洞”這個(gè)通向其他時(shí)間或空間的捷徑看起來極其誘人，因?yàn)槟壳半m然沒有蟲洞存在的證據(jù)，但有大量堅(jiān)實(shí)可靠的科學(xué)支持這一觀點(diǎn)。“蟲洞”的命名來自基普·索恩的導(dǎo)師約翰·惠勒，對(duì)一只在蘋果上爬行的螞蟻來說，蘋果的表面就是它的整個(gè)宇宙，如果蘋果中有一個(gè)蟲洞，那么這只螞蟻從蘋果頂部到達(dá)底部，就可以穿越打通蘋果內(nèi)部高維超空間的蟲洞這條捷徑。索恩進(jìn)一步的研究表明，蟲洞如果在自然中存在，只有原子大小，人類如果穿越蟲洞，需要擴(kuò)大蟲洞并使之保持開放，而這需要反物質(zhì)的支持。盡管反物質(zhì)的存在已被驗(yàn)證，但對(duì)于人類來說，搭建那樣的蟲洞，無疑需要神一般的科技水平。索恩在一檔節(jié)目中談道：“如果一個(gè)先進(jìn)文明能夠積累反能量，并在蟲洞內(nèi)部保存它，用以支撐蟲洞的存在，便可以使人類穿越蟲洞?！币虼?，在索恩擔(dān)任創(chuàng)意來源與科學(xué)顧問的電影《星際穿越》中，那個(gè)位于土星附近，可以穿越至卡岡都亞黑洞附近的蟲洞，正是來自宇宙高級(jí)文明的禮物，當(dāng)然，那個(gè)充滿敬畏的“they”也可能是未來的人類。

好了，說了這么多，與引力波有何關(guān)系？這其實(shí)也是《星際穿越》中被諾蘭刪減的部分，正是通過引力波，人類才發(fā)現(xiàn)了距離自己如此之近的一個(gè)天然持續(xù)開放的蟲洞。引力波對(duì)于未來宇宙探索的重大價(jià)值，在影片中成為一個(gè)背景性的存在。

LIGO計(jì)劃創(chuàng)始人之一的索恩，顯然對(duì)諾蘭由于擔(dān)心觀眾燒腦過度的這一情節(jié)刪減，倍感遺憾。在同名著作中，他揭示了最初的設(shè)想：在電影故事發(fā)生的幾十年前，20多歲的布蘭德教授正是LIGO實(shí)驗(yàn)室的副主任。在2019年的一天，LIGO探測到了有史以來最強(qiáng)烈的一次引力波爆發(fā)，整個(gè)引力波暴持續(xù)了幾秒鐘時(shí)間。布蘭德教授與研究團(tuán)隊(duì)很快推斷出了引力波爆發(fā)的源頭——由中子星和黑洞組成的雙星系統(tǒng)，不可思議之處在于，引力波源的方位竟然一直指向一個(gè)環(huán)繞土星的衛(wèi)星軌道！布蘭德教授所能找到的唯一解釋是，引力波來自一個(gè)靠近土星的蟲洞，中子星―黑洞的雙星系統(tǒng)一定位于蟲洞另一端，一小部分引力波通過蟲洞后擴(kuò)散到地球，從而被LIGO引力波探測器發(fā)現(xiàn)。影片中，這一上天賜予的禮物，成為毀滅在即的地球人唯一的希望。

說到引力波與蟲洞所開啟的時(shí)空穿越，人們往往會(huì)想起1997年上映，改編自美國著名天體物理學(xué)家、科普作家卡爾·薩根小說的科幻電影《超時(shí)空接觸》（Contact）。影片中父女情節(jié)的設(shè)定，無疑對(duì)諾蘭產(chǎn)生了影響。更有趣的是，該片小說原作與技術(shù)指導(dǎo)卡爾·薩根與基普·索恩為多年好友，正是在索恩的建議下，薩根才將女主角艾洛維從太陽系穿行到織女星的通道，從黑洞改為蟲洞。因?yàn)楦鶕?jù)現(xiàn)有認(rèn)識(shí)，落入黑洞的艾洛維，如果沒有庫珀那樣幸運(yùn)地進(jìn)入高階文明饋贈(zèng)的超立方體，將難逃一死。然而，與2014年上映的《星際穿越》不同的是，在父親引領(lǐng)下持續(xù)探測宇宙空間，并最終接收到外星文明傳遞來的時(shí)光機(jī)器制作圖紙的艾洛維，所采用的探測工具乃是射電望遠(yuǎn)鏡，探測到的也是宇宙電磁信號(hào)。引力波，再次成為可資類比的背景存在，也許我們有理由相信，故事中的艾洛維如何堅(jiān)持用引力波探測器，可能會(huì)有另一番不可思議的發(fā)現(xiàn)。

作為通訊工具的引力波

如果說引力波對(duì)宇宙的大尺度探測與發(fā)現(xiàn)，還只是它的題中之意，那么在科幻作品中，人們對(duì)它所刷新的宇宙想象顯然走得更遠(yuǎn)。

劉慈欣創(chuàng)作于2006～2010年的鴻篇巨制，“地球往事”三部曲——《三體》中，“引力波”一詞共出現(xiàn)120次，成為推進(jìn)小說情節(jié)發(fā)展與改變?nèi)祟惷\(yùn)的核心概念。小說中，人類搭建起引力波的發(fā)射天線，并已成功掌握引力波發(fā)射技術(shù)。發(fā)射天線的體積非常巨大，“是一個(gè)橫放的圓柱體，有1500米長，直徑50多米，整體懸浮在距地面2米左右的位置”?！懊姹谟?jì)劃”的執(zhí)行者之一、后來成為“引力波發(fā)射器”執(zhí)劍人的羅輯，在地球上三體教教主葉文杰的啟發(fā)下，領(lǐng)悟到宇宙社會(huì)學(xué)的核心理論——“黑暗森林法則”。在這一法則支配下，宇宙就是一座黑暗森林，每個(gè)文明都是帶槍的獵人，像幽靈一般潛行于林間，他必須非常小心，因?yàn)榱种械教幎际窍袼粯訚撔械墨C人。如果發(fā)現(xiàn)了別的生命，因?yàn)闆]法判斷是否會(huì)對(duì)自己構(gòu)成威脅，只有先下手為強(qiáng)，消滅對(duì)方。因此在這片森林中，任何暴露存在的文明都將很快被更為高階的文明消滅。人類的引力波發(fā)射器，可以將三體星的坐標(biāo)發(fā)射到宇宙中，進(jìn)而引來其他高階文明對(duì)三體文明的毀滅，從而成為威懾三體人的重要武器。

在現(xiàn)實(shí)宇宙中，強(qiáng)大的引力波往往產(chǎn)生于劇烈宇宙事件，人類要掌握它的發(fā)射談何容易。《三體》中提到，引力波發(fā)射的基本原理是“其有極高質(zhì)量密度的長弦的振動(dòng)，最理想的發(fā)射天線是黑洞，可用大量微型黑洞連成一條長鏈，在振動(dòng)中發(fā)射引力波”，但這顯然有很大技術(shù)難度（即使三體世界也不能做到），只能退而使用“簡并態(tài)物質(zhì)構(gòu)成振動(dòng)弦”。這種超密度弦的直徑只有幾納米，只在白矮星和中子星中存在，并在常規(guī)環(huán)境中會(huì)衰變?yōu)槠胀ㄔ亍３芏认业陌胨テ跒?0年左右，過了半衰期，引力波天線就完全失效，因此引力波天線的壽命只有50年。小說中，面對(duì)三體人再次大舉進(jìn)攻時(shí)，人類選擇在宇宙中僅存的一艘“萬有引力號(hào)”飛船上的引力波發(fā)射器，“立刻啟動(dòng)引力波宇宙廣播”，從而導(dǎo)致了三體星被其他高階文明所摧毀。

可以想象，在未來的星際旅行中，星際坐標(biāo)對(duì)文明尋找與庇護(hù)的重要性。在2015年上映的影片《星球大戰(zhàn)7：原力覺醒》中，對(duì)天行者盧克所在星球坐標(biāo)的追尋，成為宇宙中“第一秩序”與“抵抗力量”兩大政權(quán)斗爭的焦點(diǎn)。引力波，似乎確實(shí)是我們想象中最好的宇宙通訊與傳播工具。

與引力波具有相似通訊作用的，還有科幻作家本身創(chuàng)造的一些概念與設(shè)備，比如“超波”（ultrawave）。在發(fā)表于1992年的《深淵上的火》（《三界》三部曲之一）中，弗諾·文奇提到一種稱為“超波通信器”的飛船超波裝置，該裝置可在緊急情況下，向外界發(fā)出求救信號(hào)。小說提及，“距離70光年，超波通訊是可行的，甚至可以即時(shí)傳送圖像”。超波似乎已成為科幻作品中的通用概念，用以在三維或者多維空間中以超光速的速度傳送信號(hào)和信息。在阿西莫夫的“基地”系列中，超波被用作超光速通訊媒介，而在系列影片《星際迷航》中，則被用作曲速引擎的替代裝置，借以實(shí)現(xiàn)超光速旅行。

除了作為通訊工具，引力波在一些科幻作品中，也被人類作為制造引力異常的引力武器。吳巖在1981年發(fā)表于《智慧樹》雜志上的短篇小說《引力的深淵》中虛構(gòu)了一個(gè)引力異常故事：在中國沂東山區(qū)頻繁出現(xiàn)的離奇墜機(jī)事件，追查結(jié)果表明，墜機(jī)原因是一位科學(xué)狂人，利用自己發(fā)明的引力波武器，造成了那一地區(qū)的引力異常。

其時(shí)，引力波存在間接證據(jù)的發(fā)現(xiàn)以及韋伯引領(lǐng)下廣受爭議的引力波探測，使引力波成為社會(huì)熱點(diǎn)新聞。正是在那波熱潮中，吳巖寫下了可謂國內(nèi)最早觸及這一話題的科幻作品。有理由相信，不久前人們對(duì)引力波的成功探測所掀起的科學(xué)熱潮，將激發(fā)出人們更加夢(mèng)幻迷人的宇宙想象。

（本文寫作參考了《星際穿越》，基普·索恩著；《愛因斯坦尚未完成的交響樂》，瑪利亞·芭楚莎著）