引力波：傾聽宇宙的聲音

肖振

當我們往池塘里扔石子時，水面上會泛起陣陣漣漪，而引力波就是太空中的漣漪。就像空氣中的聲波或?qū)⑹^扔進池塘表面產(chǎn)生的漣漪一樣，太空中大質(zhì)量物體的運動會引起空間和時間結(jié)構(gòu)的扭曲。但和扔石頭不同的是，引力波是時空本身的振動，不需要類似水這樣的波動介質(zhì)，這意味著它們能在太空的真空中波動。

人類很早就對引力波有猜想了。1915年，偉大的科學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦提出關(guān)于時空和引力的想法。

愛因斯坦預(yù)言，當兩個物體（如行星或恒星）相互繞行時，這種運動可能會在太空中引起漣漪。這些漣漪會像池塘里的漣漪一樣擴散開來，也就是引力波。引力波是看不見的。但是它們的速度非常快，能夠達到光速行進。引力波會擠壓和拉伸它們運動路徑上的任何事物。

1974年，天文學(xué)家喬·泰勒（Joe Taylor）和羅素·赫爾斯（Russell Hulse）追蹤了一對旋轉(zhuǎn)的脈沖星。當這對脈沖星相互旋轉(zhuǎn)時，它們越來越靠近，這表明它們正在釋放能量。計算表明，這種能量損失是以引力波的形式出現(xiàn)的，這一發(fā)現(xiàn)為泰勒和赫爾斯贏得了1993年的諾貝爾獎。

2015年，美國科學(xué)家首次探測到引力波。他們使用了一種非常靈敏的設(shè)備，稱之為LIGO（激光干涉引力波天文臺）。科學(xué)家用LIGO探測到了兩個黑洞相互碰撞時發(fā)出的引力波。兩顆黑洞的初始質(zhì)量分別為29顆太陽和36顆太陽，合并成了一顆62倍太陽質(zhì)量高速旋轉(zhuǎn)的黑洞，虧損的質(zhì)量以強大引力波的形式釋放到宇宙空間，經(jīng)過13億光年漫長的時空旅行，終于抵達了地球。

引力波的首次探測是科學(xué)史上一個非常重要的事件。在此之前，人類對宇宙的了解幾乎都來自對光波的研究。現(xiàn)在通過研究引力波，我們有了一種新的方法來了解宇宙。

在過去，人類只能通過捕捉宇宙的光來探索宇宙的信息，而引力波可以讓我們聽到宇宙的聲音。

今天的引力波探測器可以發(fā)現(xiàn)中子星和黑洞碰撞產(chǎn)生的波。截至2018年底，科學(xué)家已經(jīng)探測到了10次黑洞合并和1次兩顆中子星碰撞事件。隨著更多探測結(jié)果的出現(xiàn)，天文學(xué)家將了解更多關(guān)于黑洞、中子星的信息。

對引力波的成功探測，也驗證了愛因斯坦的相對論。在以往的引力理論預(yù)測中，光和引力波會在不同的時間段到達地球。而經(jīng)過探測證實，引力波和光波到達地球的時間相差只有幾秒鐘，這意味著兩者傳播速度一樣，和愛因斯坦的理論相符。

引力波也有助于人類揭開宇宙的其他秘密。通過分析引力波，科學(xué)家或許能很快解開宇宙膨脹速度的謎題，還可能揭示宇宙的最終命運。

引力波對地球的影響比質(zhì)子的寬度小數(shù)千倍，質(zhì)子是構(gòu)成原子核的粒子之一。也就是說，引力波傳播得越遠，引力波就越弱，就像池塘上的漣漪一樣。但是，引力波會拉伸和壓縮物體。假設(shè)LIGO首次探測到的黑洞合并和地球的距離，與地球距太陽的距離一樣遠，那么這次合并發(fā)出的引力波就會把地球“拉長”90厘米。但人只會感受到百萬分之一米的壓力，遠遠小于我們跳起來和落在地面上時感受到的力。

在LIGO科學(xué)合作組織近千名科學(xué)家中，有不少來自中國的科研人員，更有一個團隊來自中國，那就是清華大學(xué)LIGO工作組。其它的引力波監(jiān)測計劃也在中國啟動：中山大學(xué)啟動了引力波探測工程“天琴計劃”；在貴州，中科院國家天文臺射電部的FAST射電望遠鏡，號稱中國有史以來最大的天文項目；太極計劃是一個中歐合作的國際合作計劃，擬用激光干涉方法進行中低頻波段引力波的直接探測。

2023年7月，中國科學(xué)院國家天文臺等單位科研人員組成的中國脈沖星測時陣列（CPTA）研究團隊利用中國天眼FAST，探測到納赫茲引力波存在的關(guān)鍵性證據(jù)，表明我國納赫茲引力波研究已與國際同步達到領(lǐng)先水平。

在諾蘭的科幻電影《星際穿越》中，主人公被困在黑洞中的五維空間里，竟然可以用引力波撥動處在過去時間的圖書，這種神奇的科幻場景雖然不太可能會在現(xiàn)實中出現(xiàn)，但也是根據(jù)引力波的科學(xué)原理展開的合理想象。隨著對引力波的探索更加深入，人類會了解更多宇宙的秘密，邁向更加遼闊的星辰大海。