空間的漣漪

張軒中

“今人不見(jiàn)古時(shí)月，今月曾經(jīng)照古人?！笔畮變|年前的地球充其量還只有低等生命的存在。而那時(shí)遙遠(yuǎn)外太空里一顆質(zhì)量為29倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞與另外一顆質(zhì)量為36倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞緩慢地靠近了，它們相互繞轉(zhuǎn)，最后碰撞并合在一起，并撥動(dòng)宇宙的琴弦，發(fā)出引力波，引力波以光速傳播，在走了漫長(zhǎng)的十幾億年后，如今正強(qiáng)烈地?fù)軇?dòng)著2016年地球人的心弦。

震撼人心的發(fā)現(xiàn)

100年前，愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論，把一維時(shí)間與三維空間看成一個(gè)整體，這一幾何體被稱為四維時(shí)空或四維流形。如果把這個(gè)四維時(shí)空做一個(gè)依賴于觀察者的3+1分解，就可以得到空間與時(shí)間。愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)，三維空間本身是有彈性的，它會(huì)隨著一維時(shí)間振動(dòng)。這一振動(dòng)將在整個(gè)空間激發(fā)出一種波動(dòng)，類似于水面上的漣漪，愛(ài)因斯坦稱這種空間的漣漪為引力波。

1919年，愛(ài)丁頓等人在日全食期間用光線彎曲的實(shí)驗(yàn)論證了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論是一個(gè)滿足天文觀測(cè)的理論。這一實(shí)驗(yàn)為愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)，也成為科學(xué)史上的大事件。此后，陸續(xù)有驗(yàn)證愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)推出，但這些實(shí)驗(yàn)都沒(méi)有超出太陽(yáng)系的尺度，局限在宇宙一隅，猶如坐井觀天，并且沒(méi)有一個(gè)實(shí)驗(yàn)看到彎曲空間的波動(dòng)。

人類從未直接探測(cè)到引力波，科學(xué)家泰勒和赫爾斯僅通過(guò)對(duì)一個(gè)雙星系統(tǒng)的觀測(cè)——兩顆雙中子星相互圍繞著對(duì)方公轉(zhuǎn)——得到了引力波存在的間接證據(jù)，由此他們獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后，科學(xué)界有多種探測(cè)引力波的方法和設(shè)備，但一直無(wú)所斬獲。

終于，97年后的今天，一個(gè)震撼人心的實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)了，美國(guó)東部時(shí)間2016年2月11日上午10點(diǎn)30分（北京時(shí)間2月11日23點(diǎn)30分），美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)攜加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院和激光干涉引力波天文臺(tái)科學(xué)合作組織的專家向全世界宣布，美國(guó)的激光干涉引力波天文臺(tái)首次直接探測(cè)到了引力波。其波源來(lái)自中心光度距地球13億光年之外的遙遠(yuǎn)宇宙空間，由兩個(gè)黑洞碰撞并合所引發(fā)，這顯然是在強(qiáng)引力場(chǎng)下對(duì)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論進(jìn)行檢測(cè)與判斷的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)。

十三億年的旅程

這次探測(cè)到的引力波是兩個(gè)分別為29倍太陽(yáng)質(zhì)量與36倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞碰撞并合成一個(gè)62倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞所形成的。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(guò)13億年的漫長(zhǎng)旅行，終于抵達(dá)了地球，被美國(guó)的激光干涉引力波天文臺(tái)的兩臺(tái)“孿生”引力波探測(cè)器探測(cè)到。

合并后的黑洞為什么損失了3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量？原來(lái)，在兩個(gè)黑洞相互接近繞轉(zhuǎn)的過(guò)程中.會(huì)不斷朝外輻射引力波，而引力波的輻射會(huì)使得兩個(gè)黑洞的距離變小，它們之間的勢(shì)能降低，相互繞轉(zhuǎn)的頻率會(huì)變得更快，就如同舞池中繞轉(zhuǎn)的兩個(gè)芭蕾舞演員最終會(huì)抱在一起.這一過(guò)程會(huì)放出大量的引力波能量，損失的那3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量就變成了引力波輻射出去。

這一輻射的能量有多大？通過(guò)愛(ài)因斯坦的著名質(zhì)能方程E=mc²計(jì)算可知，這相當(dāng)于數(shù)以億億億億計(jì)的原子彈同時(shí)爆炸。其威力相當(dāng)驚人，整個(gè)空間都在顫動(dòng)。這一顫動(dòng)也在十幾億年后傳到了地球，這就是目前引力波探測(cè)器探測(cè)到的引力波。

引力波信號(hào)傳遞到地球以后，其在激光干涉儀的接收器上會(huì)形成一個(gè)電子信號(hào)，這個(gè)電子信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后在終端電腦上表現(xiàn)為一個(gè)引力波信號(hào)波形。對(duì)這一波形的處理堪稱技術(shù)性難題，科學(xué)家需要從波形里讀出很多信息：黑洞合并所花費(fèi)的時(shí)間，合并后黑洞的質(zhì)量，黑洞合并后事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)到地球的距離等，科學(xué)家對(duì)引力波信號(hào)波形的分析足足花了幾個(gè)月的時(shí)間。

期待更多“零”的突破

這個(gè)首次被探測(cè)到的引力波的波源是雙黑洞合并所引發(fā)的，它的頻率在1Hz到100Hz之間，對(duì)其他頻段的引力波的探測(cè)目前還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)“零”的突破，如10^-16Hz左右的會(huì)在宇宙微波背景上產(chǎn)生的原初引力波，用脈沖星計(jì)時(shí)陣探測(cè)10^-9Hz左右的雙超大質(zhì)量黑洞的引力波也是科學(xué)家們關(guān)心的物理實(shí)驗(yàn)，這些頻率的引力波探測(cè)都還需要后續(xù)進(jìn)一步的工作去完成。2015年7月，我國(guó)以中山大學(xué)為核心的科研團(tuán)隊(duì)也啟動(dòng)了探測(cè)引力波的“天琴計(jì)劃”。

發(fā)現(xiàn)引力波可以與100多年前發(fā)現(xiàn)電磁波的事件相提并論，從手機(jī)信號(hào)到微波爐，從wifi到GPS，很明顯，電磁波已經(jīng)改變了我們?nèi)祟惿鐣?huì)的面貌。在電磁波被發(fā)現(xiàn)100多年以后的今天，引力波被找到了，它是唯一可以在高維時(shí)空中傳播的波，這點(diǎn)與電磁波完全不同，對(duì)引力波的深入研究可以帶給我們對(duì)大尺度時(shí)空結(jié)構(gòu)信息的全面深入了解。同時(shí)，毫無(wú)疑問(wèn)的是，憑借著引力波極強(qiáng)的穿透能力，未來(lái)它也許真能像科幻小說(shuō)中描述的那樣，被人類用于星際領(lǐng)域通訊。（文章選自作者微信公眾號(hào)《賽先生》）

責(zé)任編輯 林洋