引力波：愛因斯坦又對了

冉浩

牛頓聲稱因為被蘋果砸到，所以發(fā)現(xiàn)了萬有引力。但引力到底是個什么東西呢？牛頓也不知道。它看不清，摸不著。直到前不久，我們才真正觀察到了引力——美國的一個科研項目首次確認(rèn)了引力波的存在！但這聽起來有點高冷的引力波到底是什么呢？

愛因斯坦的猜測

20世紀(jì)上半葉是物理學(xué)群星璀璨的時代，愛因斯坦更是其中的杰出代表。他徹底顛覆了人類的時空觀——在高速運動的世界里，光速不可超越，時間與空間也并不絕對，而是相對的；在物體接近光速運動時，質(zhì)量會無限加大，而內(nèi)部的時間會比外部減慢……這個理論被稱為狹義相對論，讓當(dāng)時一群自詡為聰明的大腦目瞪口呆。然而，愛因斯坦并沒有止步，他不僅提出了能量和質(zhì)量的轉(zhuǎn)化公式，奠定了核能的物理基礎(chǔ)，還進(jìn)一步拋出了一個猜想——廣義相對論。

在廣義相對論中，愛因斯坦將引力解釋為時空的幾何屬性，說明白點，就是大質(zhì)量的物質(zhì)會引起時空的扭曲。我們也可以打個比方，比如現(xiàn)在我們面前有一張蹦床，然后，我們放一塊大石頭上去，假設(shè)床沒蹋，會怎樣？你會看到蹦床放石頭的那一塊凹下去了——時空扭曲了。如果這時我們再放一個玻璃球在蹦床上呢？因為中間凹了一塊，小球就會朝凹的那里滾動，也就是沖向石頭，小球越滾越快，然后，嘣！撞上石頭，碎了。一次小行星撞擊地球的事件，也許就是這么發(fā)生的。

如果要想不撞上，小球就必須具有一定的速度。當(dāng)速度達(dá)到一定程度時，小球就會圍繞著凹陷的邊緣旋轉(zhuǎn)——這就是衛(wèi)星。當(dāng)然，如果小球再快一些，它就能從坑里沖出去，然后擊中圍觀的某個人，這就是脫離了引力場。如果是兩個質(zhì)量差不多的天體，或者說，兩塊大石頭在蹦床上互相圍繞滾動呢？如果蹦床的老板還沒有破口大罵，我們會看到什么呢？蹦床表面應(yīng)該會震動，或者說以它們?yōu)橹行脑诋a(chǎn)生波紋，最后兩塊大石頭會越來越近，最后，砰！撞在一起，運動停止，大量的能量釋放出來。然后，以撞擊點為中心，蹦床表面開始上下劇烈抖動——更強大的波動產(chǎn)生了。這些震動和波動，都是引力波。問題是，愛因斯坦的理論對嗎？我們能夠檢測到引力波嗎？

能不能找到它？

盡管在當(dāng)時看來，愛因斯坦的很多理論驚世駭俗，甚至諾貝爾頒獎委員會在給他頒獎時也只提了他的光電效應(yīng)，但是他的相對論卻在后世被一一印證。那這位跨時代的科學(xué)巨匠所預(yù)言的引力波，會被找到嗎？

老實說，這真的有點難。

首先，引力波的傳播速度很快，與光速相同，沒有任何速度能夠超過它；其次，我們無法感知到引力波的擴散——不管你的時空被輕微拉長或者壓扁，你都不會有任何感覺，已有的物理儀器也一樣。當(dāng)然，這也帶來了一個好處，那就是，引力波在宇宙中的傳播幾乎不會衰減，即使空間的擾動源離我們很遠(yuǎn)，它經(jīng)過億萬年后，依然能夠傳播到我們這里。唯一能夠跟上引力波的步伐，探測到它的，可能也只有光了。科學(xué)家決定用波長恒定的激光來探測引力波，或者說，用它來探測可能產(chǎn)生的時空扭曲。

為此，科學(xué)家啟動了LIGO項目，他們設(shè)計了兩條垂直的光路進(jìn)行干涉，如果空間沒有扭曲，接收器就不會接收到激光，反之，激光就會照在接收器上。

不過，這個儀器要多靈敏呢？它必須能夠檢測出10～21米這么小的距離變化，或者說，只相當(dāng)于質(zhì)子直徑的千分之一！

其結(jié)果就是，如此精密的設(shè)備極容易受到干擾——周圍的地質(zhì)活動會影響它，車輛行駛會影響它……這好比是一個守財奴在喧囂的集市里專心地聽哪位仁兄會掉一個鋼镚兒，然后趕緊沖過去踩住它。為此，項目組想到了一個絕妙的方案，他們在距離遙遠(yuǎn)的地方分別設(shè)置了探測儀器，這樣，小范圍的擾動就不可能同時干擾到兩臺儀器，而具有宇宙尺度的引力波顯然會同時作用到兩臺儀器上，于是，兩組儀器同時產(chǎn)生響應(yīng)才算有效。之后，科學(xué)家還要對數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)和排除。后來，意大利的VIRGO引力波探測器也加入了聯(lián)合探測，三地聯(lián)合測量，使結(jié)果更加準(zhǔn)確。此外，LIGO又升級了一次，變成了aLIGO。萬事俱備，只欠東風(fēng)。

來自黑洞的禮物

盡管小心謹(jǐn)慎，還鬧了一次烏龍。2010年9月，LIGO項目探測到了大概來自大犬座方向的引力波，整個項目組歡騰起來，甚至論文都寫好了，然后有人站出來說，他們對此事件負(fù)責(zé)……事實上，為了確保項目探測結(jié)果的準(zhǔn)確性，還有一方人馬專門在背地里制造人為干擾，而負(fù)責(zé)探測的科學(xué)家卻并不知情。在這樣的短兵交鋒中，“紅方”在“藍(lán)方”的壓迫下升級技術(shù)，完善理論，一點一點提升可靠度。所有這一切，都為了小心謹(jǐn)慎，以便在真正的探測到引力波時，既不會錯失機遇，又具有足夠的說服力。

2015年9月14日，LIGO項目終于探測到了引力波！

經(jīng)調(diào)查，這應(yīng)該是兩個大質(zhì)量的黑洞在相互繞行后碰撞在一起造成的。強烈的撞擊釋放了巨大的能量，造成了時空的劇烈震蕩，然后，經(jīng)過10億年的漫長旅行，其產(chǎn)生的引力波終于傳到了地球，并被守株待兔的科學(xué)家所截獲。

之后，科學(xué)家又花了幾個月的時間來確認(rèn)其可靠性，終于在2016年年初得到了肯定的結(jié)果。自此，愛因斯坦的廣義相對論得到了一個強有力的實驗支持，這位偉大的物理學(xué)家又對了！

而這也為我們打開了一個新的紀(jì)元——我們獲得了一種新的觀測手段，將能夠通過引力波來察看宇宙，獲知天體演化，甚至探求那些余波，追溯到宇宙起源之初，從而更好地理解宇宙。長久以來，人類渴望在知識上超越時空，而現(xiàn)在，我們又向前邁出了一步。