引力波：這一刻，聽見宇宙，看見宇宙

陳玉瑩

今年的奧斯卡頒獎典禮上，萬年陪跑的萊昂納多·迪卡普里奧終于捧得了小金人。回顧小李子的經典之作，《泰坦尼克號》自然少不了。窮畫家杰克和貴族少女露絲不顧世俗的偏見彼此相愛，他們在船頭擁抱，在房間作畫，在下等艙共舞……

暫停一下。看到他們旋轉跳舞的場景，你會想到什么呢？

普通青年：美好得不像話的愛情！

物理專業的青年：嗯，微不足道的引力波……

咦，同學，這話怎么說？

2016年2月11日，美國科研人員宣布他們利用激光干涉引力波天文臺（LIGO）探測到了引力波的存在。兩個黑洞在約13億年前碰撞，兩個巨大質量的物體結合所傳送出的擾動，最終于2015年9月14日抵達地球并被檢測到。聽到這個消息，我們仿佛能看到那個名叫愛因斯坦的小老頭眨巴著眼睛說：“嘿，我在100年前的預測說得沒錯吧？”

讓我們來想象一下吧。想象時空是一塊巨大的、緊繃的毯子。放上任何一個有質量的物體，都會讓毯子下凹，即讓毯子表面發生彎曲。苗條的白雪公主站上去，產生小彎曲；敦實的豬八戒站上去，產生大彎曲。

同理，如果把時空想象成湖面，一個皮球放在湖面上，會讓水面凹陷、彎曲。如果球是靜止的，那么湖面也是靜止的；如果球是運動的，那么湖面會泛起陣陣漣漪。質量越大，運動越快，漣漪也越大，這就是引力波。

有質量的物體使它周圍的時空發生扭曲，物體的質量越大，時空就扭曲得越厲害。這是愛因斯坦廣義相對論中關于引力波的最簡單的論述。

這一次LIGO團隊所說的引力波是兩個球在轉動時產生的引力波，它們長這樣（見上面大圖）。兩個黑洞“旋轉”跳舞會產生引力波，兩個人“旋轉”跳舞也會產生引力波，所以學物理的學生一不小心就會用錯誤的打開方式觀看浪漫的愛情電影。不過，人們在跳舞時產生的引力波微乎其微，只有質量很大的物體產生的引力波才有可能被探測到，因而兩個人產生的引力波實際上是沒法探測到的。

到這里，我們已經可以概括出探測到引力波的基本條件：

（1）兩個質量非常非常大的物體。

（2）它們非常非常快地相對旋轉。

（3）用比較厲害的探測方法。

那么，這次我們探測到的是什么呢？

一個是29倍太陽質量的黑洞。

一個是36倍太陽質量的黑洞。

它們靠近、碰撞、并合得到了62倍太陽質量的如下圖豬鼻子一樣的玩意兒。這就滿足了前兩個條件。

但是，小學數學老師教過我們，36+29=65，剩下的3倍太陽質量去哪兒了呢？

以引力波的形式輻射出來了！

當引力波穿行時，它會拉伸或者擠壓任何途中遇到的物體，不過這個拉伸或者擠壓產生的能量是非常微小的，最多大概只有10-21m。我們平時使用的尺子最小的刻量也才1mm，也就是10-3m，肯定無法探測到，所以我們得用上“光速”這把尺子。

我們的測量設備是一個巨大的“L”形，有兩個互相垂直并保持超真空狀態的空心圓柱體作為兩個測量臂（如右上圖）。兩臂的盡頭，我們可以理解為一面鏡子，激光發射然后反射回來，通過激光在測量臂中經過的時間，就可以測出兩臂的長度。

仔細觀察右上兩幅圖中藍色線條方塊的變化。引力波的漣漪中，時空不停地被壓縮，變成又高又瘦，然后被拉伸，變成又矮又胖。隨著這種時空畸變，控測器的雙臂也在不停地被擠壓或拉伸，而這個變化，被LIGO團隊觀測到了。

探測出引力波，意義究竟是什么呢？

如果說地球是一個失聰的人，那么這一刻它終于聽到宇宙說話了；如果說地球是一個失明的人，那么這一刻它終于看見宇宙了。

現在，我們可以用引力波，來觀測用肉眼、望遠鏡或電磁波都無法看到的黑洞，還有占了宇宙質量95.1%的暗物質和暗能量。

同時，引力波是愛因斯坦廣義相對論的最后一個重要部分。引力波被探測出來之后，廣義相對論的最后一部分也被證實了。

最后，引力波也許能讓科幻電影中經常出現的時間旅行成為可能。宇宙中已知的四種基本力包括強力、弱力、電磁力和引力。前三種力都存在于我們熟悉的三維世界中，而引力波存在于時空中，即四維世界，它是唯一能跨越不同維度的作用力。也就是說，它能影響三維世界存在的第四維——時間。通過研究引力波，或許有朝一日，我們真的可以實現時間旅行。