引力波：揭開宇宙奧秘的“鑰匙”

茍利軍

在愛因斯坦提出廣義相對論整整一個世紀的歷史性時刻，我們站在了一個新時代的起點：通過位于美國列文斯頓和漢福德的高新引力波探測器，人類有望在不遠的將來捕捉到時空的漣漪，用一種前所未有的方式看待這個世界

北京時間2016年2月11日晚上，一波又一波的引力波傳言終于在美國自然基金會的新聞發布會中塵埃落定：人類首次直接探測到了引力波，這是真的！正如發布會所言，在被預言將近百年、苦苦追尋幾十年之后，首個位于地球之外13億光年的引力波源GW150914被人類直接探測到。這是一個值得紀念的偉大時刻，一個新時代的序幕正在拉開。

激動人心的發布會結束了，其重點內容可以被簡單歸納為三點：（1）引力波終于被探測到了。（2）引力波產生于兩個恒星量級黑洞的合并。（3）引力波是由美國的激光干涉引力波天文臺（簡稱LIGO）發現的。

什么是引力波

對于“波”，我們并不陌生，生活中時常會聽到無線電波、電磁波、聲波、光波等，引力波也是波的一種。既然稱之為引力波，它必然與引力有關。在更深一步了解引力波之前，我們需要了解一下人類對于引力的認識過程。

17世紀末的物理學家牛頓看到下落的蘋果，意識到物體之間普遍存在的一種力，他稱之為“引力”，并且將其數學化，這就是我們熟知的萬有引力。其精髓是物體質量的存在導致了引力，這在牛頓之后的兩百多年里被認為是宇宙間的絕對真理。直到1905年狹義相對論發表，再到1915年廣義相對論發表，愛因斯坦提出了一種完全不同的看法——引力是因為質量對于時空造成了變形所導致，而非質量之間的吸引。在廣義相對論中，引力被歸咎于時空的彎曲。它的意思是，我們平時看到的空間貌似是平直的，但真實的情況卻是像哈哈鏡里一樣扭曲。這種扭曲是物質造成的，質量越大，扭曲就越大。這意味著，我們時空可被當做一種可以變形的介質來認識。所以引力波，簡單來說，就是時空自身的波動。相比較我們熟知的無線電波（或者電磁波），它僅僅是在時空之中傳播的，時空是它的媒介。

如果將時空視作海洋，那么天體就如同海洋生物一般?？梢韵胂?，如果大海中的某個生物搖了搖尾巴，或是晃了晃頭，海水由此產生的波動就會向外傳播。與此類似，宇宙中某個天體的劇烈活動，會對所在的時空產生擾動，時空自身的波動也會向遠處傳播，如果足夠強，就能夠為地球上的我們所感知。

在引力的世界中，我們的宇宙通常是平靜的?？墒窃诒本r間2015年9月14日17點50分45秒，地球上的LIGO探測器卻探測到了來自于宇宙深處距離地球13億光年之外的一場引力風暴，它來自于一個雙黑洞系統的合并（圖1），天文學家以探測日期將它命名為GW150914。

用圓規丈量宇宙

對于睡眠時不喜歡被地震打擾的我們來說，感受不到宇宙的震動是多么幸福。但物理學家可不這么想，他們急需感覺到震動，來證明自己確實讀懂了宇宙。他們還希望通過對震動的研究，把宇宙讀得更懂。于是，科學家發明了世界上最大和最貴的“圓規”，他們把它叫做邁克耳遜干涉儀。它的“兩條腿”都有4000米長，最近的一次升級就花去了幾十億美元。

邁氏干涉儀的原理是什么？假設我們有兩個短跑運動員，他們在任何情況下跑步速度都一樣，那么，如果跑道因為引力波擾動，長度發生了變化——就像蹦床表面會因受力，在一個方向上拉伸一樣，他們從儀器的兩條腿上跑回來的時間就會發生微小的差異。我們就知道，空間確實在震動。

引力波可為黑洞做名片

在觀測到了完整的引力波形之后，利用一種叫做匹配濾波（waveform matching）的方法，理論上就可以推斷出系統性的信息，包括合并之前和之后。比如，對于雙黑洞系統，可以推斷出合并之前的黑洞質量、自旋和軌道，以及合并之后的質量和自旋。此次新聞發布會中所提及的引力波事件，就得到黑洞質量在合并之前是26和39太陽質量，合并之后是62太陽質量，合并后的黑洞是一個克爾黑洞，其自旋參數值為0.67。

我們所看到的所有恒星，都是處于旋轉當中。所以對于那些由恒星塌縮而形成的黑洞而言，它們也是處在旋轉之中。對于黑洞的旋轉，天文學家用一個叫做“自旋參數”的量來表示，它在0和1之間變化——0代表了沒有轉動的黑洞（也叫“史瓦西黑洞”），而1代表了理論上黑洞所具有的轉動最大值（也叫“極端克爾黑洞”）。對于此次觀測中合并以后的黑洞，它的自旋參數為0.67。如果我們以轉速來描述，它在以每秒鐘100轉的速率轉動。

如果你覺得轉速依舊很難理解，那我們可以想象一下《星際穿越》電影中的一個情節：主人公在卡剛都亞黑洞的行星上只呆了3個小時，但是后來卻發現飛船上已經過了23年，時間相差6萬倍。要有這樣巨大的時間差，其中條件就是行星極度靠近黑洞的同時，黑洞也在以最大速度轉動。按照相對論理論所言，這樣行星上的時間就會被極大的拉長。天鵝座黑洞的轉速就具有類似于電影中卡剛都亞黑洞那樣的轉速。對于此次引力波探測到黑洞而言，即使有某個行星在其周圍最靠近的穩定存在，那么它的時間也會流逝得很慢，不過不會有6萬倍那么大的差別，最多也就2倍左右。

對于黑洞而言，有著非常著名的“無毛定理”，也就是說黑洞只需要簡單的幾個量就可以描述。對于宇宙當中的黑洞，只需要我們上面所說的質量和自旋參數就可以完整地描述。當我們知道了黑洞的質量和自旋參數一些性質時，就可以很容易地對黑洞本身的全貌做出一個描繪，就如同給出了一個人的完整自畫像。而引力波的方法可以快速給出黑洞的完整信息，這相比較傳統的觀測方式，更為有效，盡管在觀測方面有些困難。

引力波能帶來什么

對于大眾來說，或許會懷疑花費這么多經費去探索引力波有何意義。但對瘋狂的物理學家來說，他們會覺得，這不但非常物有所值，而且就像免費的一樣便宜。

1. 引力波可一窺宇宙初生。對物理學家來說，這輕輕的一震，比《星球大戰》乃至人類史上所有的電影加起來都好看，因為它蘊含的劇情，是宇宙誕生的畫面。我們從小都被告知一個最著名的猜想——宇宙是在一場爆炸中誕生的。這意味著，在時空開始之時，有過一次最劇烈的震動。引力波就能讓我們還原這個震動——它是否存在，有多大規模，諸如此類。

引力波以光速傳播，它與物質的相互作用非常非常的弱。所以引力波可以給我們提供我們宇宙幾乎無阻擋的圖景，而這個幾乎是無法利用之前我們熟知的電磁波來達到的。比如，利用引力波，我們可以看到宇宙的最早期——宇宙大爆炸之后的1.0E-36秒（科學計數法）開始的宇宙形成過程；而對于電磁波而言，它最早只能看到大爆炸后大約300000年之后的宇宙歷史。所以引力波是我們了解宇宙形成的最好工具。

2.引力波是對廣義相對論的一個最直接的驗證。如果引力波不被發現，愛因斯坦的理論就如同缺了一條腿的凳子，是有漏洞的。關于引力波的強度，愛因斯坦曾計算——非常微弱。假設迎面走來一串引力波，你會變高變瘦，接下來變矮變胖，再變高變瘦……當然，想靠引力波改變體型是不可能了，除非你就站在引力波波源附近（但黑洞至少有100種方法讓你在它旁邊活不下去）；否則引力波只會把你的身高拉高（然后壓扁）那么一丁點——大概就是一個氫原子的一百億分之一。在接下來的幾年中，愛因斯坦幾次修改對引力波的判斷。廣義相對論的開山鼻祖尚且摸不著頭腦，別的科學家更是莫衷一是。引力波強度的微弱暫且不論，在它是否存在都有爭議的情況下，任何嚴肅的探測引力波的努力都很難讓人信服。毫無疑問，此次觀測是對廣義相對論的一個非常好的檢驗。

3. 又多了一種測量宇宙的方法。引力波的發現類似當年發現X光一樣，是一種工具。英國著名理論物理學家斯蒂芬·霍金表示：“引力波提供了一種人們看待宇宙的全新方式。人類探測到引力波的這種能力，很有可能引發天文學革命?！庇辛诉@個工具，我們可以利用對引力波的觀察，去觀察遙遠的宇宙的現象；發現暗物質、時空穿梭等才是有可能實現的事情。如果沒有引力波，以我們現有的技術是做不到這些科幻世界才有的事情的。

4. 引力波還能讓我們知道，看不到的宇宙空間在發生什么。據科學家說，這次的引力波就是在我們看不到的超級遠的距離上，由看不到的超級大黑洞的變化引起的。如果你是《三體》迷，你就可以理解，如果在很遠的星系一個文明被高階文明炸掉了，我們能夠第一時間通過引力波知道這個事情是多么重要。

5. 引力波可在不同維度傳播。引力波從目前物理學家的認識來看，是唯一一種可以在不同維度進行傳播的波。不同宇宙之間的碰撞，會產生引力波。說不定在不遠的將來，我們也可以依靠引力波來判斷多重宇宙的存在與否。在《星際穿越》電影中的結尾之時，主人公庫珀身處一個5維時空的超立方體中，為了將從黑洞中心所提取出來的信息傳遞給身處4維時空的女兒墨菲，人為的制造引力波效應，成功將信息傳遞，從而人類得以解救。

引力波探測，中國也有大動作

隨著人類在2016年初宣布首次直接探測到引力波，取得科學上的重大突破，中國科學家一系列與引力波探測相關的計劃也浮出水面。2016年2月16日，中國科學家公布了一項新的空間探測引力波計劃——“太極”。中國科學院院士、太極計劃首席科學家胡文瑞透露：太極計劃的設想之一是在2030年前后發射三顆衛星組成引力波探測星組，用激光干涉方法進行中低頻波段引力波的直接探測，目標是觀測雙黑洞并合和極大質量的天體并合時產生的引力波輻射，以及其他的宇宙引力波輻射過程。

這一計劃緣何起名“太極”？胡文瑞解釋道：按照中國的宇宙觀，萬物開始是“太極”，探測原初引力波就是研究宇宙的起源，而太極的圖形與雙黑洞形象很相似。如果說引力波是一場宇宙交響曲，那么美國LIGO的成果只是一個序曲，但主樂章在空間探測領域，將解答更多重大學術問題。

國家天文臺恒星級黑洞研究創新小組負責人