模擬圖顯示兩個(gè)黑洞碰撞并合，產(chǎn)生引力波

眾所周知，宇宙所有物質(zhì)和能量之間都存在著引力，比如說(shuō)，物體在地球上的重量，便是地球?qū)ζ湟λ隆１M管，引力是人類最早認(rèn)識(shí)的一種基本作用力；但是，人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)卻不太清楚。因此，無(wú)論是理論或?qū)嶒?yàn)領(lǐng)域，物理學(xué)家們對(duì)引力仍然探索不止。

根據(jù)人民日?qǐng)?bào)報(bào)導(dǎo)，一個(gè)世紀(jì)前，愛因斯坦預(yù)測(cè)了引力波的存在。對(duì)于它們的存在，近百年來(lái)，科學(xué)家們只能找到間接的證據(jù)。而在美國(guó)華盛頓當(dāng)?shù)貢r(shí)間2016年2月11日這一天，這個(gè)百年前的偉大預(yù)言終于被證實(shí)。當(dāng)天上午，鐳射干涉引力波觀測(cè)臺(tái)（LIGO）實(shí)驗(yàn)組召開新聞發(fā)布會(huì)，告訴全世界，首次直接觀測(cè)到了由兩顆恒星級(jí)黑洞13億年前并合產(chǎn)生的引力波。這是科學(xué)史上又一次具有劃時(shí)代意義的發(fā)現(xiàn)。那么，究竟什么是引力波？它為什么如此重要？

引力波是什么？

如果把引力比作大海，那么引力波就是大海中波浪的激蕩

在瞭解引力波之前，讓我們先來(lái)說(shuō)一說(shuō)引力是什么。引力全稱萬(wàn)有引力，又稱重力相互作用，它是指具有質(zhì)量的物體之間加速靠近的趨勢(shì)，簡(jiǎn)單說(shuō)就是物體之間相互吸引的作用力。它是自然界的四大基本相互作用力之一，也是自然界中最普遍存在的力，可以說(shuō)是無(wú)處不在。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院教授蔡一夫解釋說(shuō)，在經(jīng)典力學(xué)中，萬(wàn)有引力被認(rèn)為是帶有質(zhì)量的物體之間所存在的相互作用。然而，在愛因斯坦的廣義相對(duì)論中，萬(wàn)有引力是由于存在質(zhì)量對(duì)時(shí)空的彎曲所造成的現(xiàn)象。“廣義相對(duì)論認(rèn)為，物質(zhì)的質(zhì)量會(huì)使得時(shí)空彎曲。比如說(shuō)有個(gè)人在一個(gè)沙發(fā)上坐下時(shí)，原本平整的沙發(fā)表面就立刻會(huì)向下凹陷，出現(xiàn)一個(gè)坑，而之前放在沙發(fā)周圍的物體就有向坑中間滑落的趨勢(shì)，于是就產(chǎn)生了萬(wàn)有引力。”

“在宇宙空間也是一樣，比如把太陽(yáng)、地球、恒星、黑洞等大質(zhì)量的天體放在時(shí)空中，時(shí)空就會(huì)形成“凹陷彎曲“，萬(wàn)有引力也就產(chǎn)生了。”美國(guó)麻省理工學(xué)院物理系研究員蘇萌說(shuō)。

由此可見，在愛因斯坦廣義相對(duì)論的視野里，引力等價(jià)于彎曲的時(shí)空。而引力波就是在彎曲的時(shí)空這個(gè)大背景下，當(dāng)發(fā)生有質(zhì)量的物體加速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的擾動(dòng)時(shí)，由此產(chǎn)生的波動(dòng)如波紋一樣向外傳播的現(xiàn)象。“如果把引力比作大海，那么引力波就是大海中波浪的激蕩。”蔡一夫說(shuō)。

蔡一夫拿蹦床舉例進(jìn)一步解釋說(shuō)，“如果一個(gè)運(yùn)動(dòng)員站在蹦床上，他站著的那個(gè)位置就會(huì)形成一個(gè)凹陷，也就是我們所說(shuō)的彎曲。如果這個(gè)運(yùn)動(dòng)員在那里一動(dòng)不動(dòng)的話，那個(gè)彎曲就像被扳彎的鋼尺一直緊繃在那里。這種緊繃其實(shí)是在儲(chǔ)存能量。如果他稍微動(dòng)一動(dòng)，跳一下，這個(gè)蹦床就會(huì)把他彈起來(lái)。為什么會(huì)被彈起來(lái)呢？就是因?yàn)橹皟?chǔ)存的能量釋放了。這個(gè)釋放不僅是把人彈到了空中，而且使得這個(gè)蹦床表面從一開始緊繃的靜止?fàn)顟B(tài)一下子變成反覆起伏、上下翻滾的褶皺狀態(tài)，這個(gè)起伏翻滾并傳開來(lái)的褶皺就可以理解成一個(gè)波動(dòng)的傳播，即產(chǎn)生引力波。”

蔡一夫說(shuō)，如果把宇宙空間比作蹦床，把黑洞比作蹦床運(yùn)動(dòng)員，它在宇宙這個(gè)大蹦床上透過碰撞、并合等方式蹦了一下，就會(huì)把之前儲(chǔ)存的巨大能量釋放出來(lái)，這種行為會(huì)擾動(dòng)周圍的時(shí)空，造成起伏和震動(dòng)，這個(gè)能量就會(huì)以引力波的形式傳遞出去。這種起伏的程度越大，波動(dòng)就越大，引力波也就越強(qiáng)。

引力波為何難探測(cè)？

宇宙中發(fā)生爆炸性的大事件時(shí)產(chǎn)生的引力波，才相對(duì)容易探測(cè)到，比如黑洞并合、星系合并、超新星爆炸等

100年前，愛因斯坦在預(yù)言引力波存在時(shí)就曾說(shuō)：“這些數(shù)值是如此微小，它們不會(huì)對(duì)任何的東西產(chǎn)生顯著的作用，沒人能夠去測(cè)量它們。”

事實(shí)的確是這樣，萬(wàn)有引力雖然無(wú)處不在，但它卻是我們已知物理世界中最弱的力。盡管它很多行為類似電磁波，但是對(duì)它的波動(dòng)性的探測(cè)卻比登天還難。

其實(shí)，我們?nèi)粘Ｉ钪芯陀袩o(wú)數(shù)引力波的存在。每天我們的身體都在接受引力波的穿透，因?yàn)槿魏螏в匈|(zhì)量的物體加速運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生引力波，但是這些日常的引力波都太弱了，完全檢驗(yàn)不到，更別提感受到了。

蔡一夫說(shuō)：“舉個(gè)例子，大家知道太陽(yáng)每天都會(huì)照射到地球上，我們從而能感受到陽(yáng)光。太陽(yáng)的光線是從太陽(yáng)那里出發(fā)落到我們身上。那么，這個(gè)傳播的過程是什么？就是電磁波的傳遞。萬(wàn)有引力也是一樣，太陽(yáng)給我們陽(yáng)光的同時(shí)，也給我們引力輻射，這個(gè)過程就是引力波的傳遞。這個(gè)引力作用也是從太陽(yáng)那里出發(fā)到我們身上的，只不過我們看不到和感受不到而已。”

既然引力波那么弱，那么人類怎樣才能探測(cè)到引力波呢？“可以去探測(cè)大強(qiáng)度的引力波。引力波的強(qiáng)度跟天體的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)劇烈程度有關(guān)。天體質(zhì)量越大，運(yùn)動(dòng)越激烈，產(chǎn)生的引力波就越強(qiáng)。就好比蹦床運(yùn)動(dòng)員，他如果重量越大，彈跳得越高，能量釋放得就越多，造成蹦床表面的起伏波動(dòng)就會(huì)越大。所以，也就是宇宙中發(fā)生爆炸性的大事件時(shí)產(chǎn)生的引力波，才相對(duì)容易探測(cè)到，比如黑洞并合、星系合并、超新星爆炸等。”蘇萌說(shuō)。

科學(xué)家們也同時(shí)表示，即使是宇宙中這類天體爆炸性的大事件產(chǎn)生的較強(qiáng)引力波，探測(cè)起來(lái)也是極其困難的，這對(duì)儀器和人的要求都很高。

為什么這么說(shuō)？蔡一夫給出解釋：“時(shí)間發(fā)生得越早，距離越遠(yuǎn)，越會(huì)在宇宙中傳播期間被紅移。紅移指的是由于宇宙本身的膨脹將所有的波動(dòng)的波長(zhǎng)拉直拉平，這樣其波動(dòng)性就難以被探測(cè)到。例如，這次LIGO探測(cè)到的引力波，是13億年以前兩個(gè)大約30個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞并合所產(chǎn)生的引力波，振幅之小，是在原子核尺寸的千分之一的尺度。能探測(cè)到真的是非常不容易，LIGO實(shí)驗(yàn)組的科學(xué)家們也是在幾十年里經(jīng)歷多次挫折，不斷調(diào)整方案，改進(jìn)儀器，才最終探測(cè)到的。”

探測(cè)引力波有啥用？

引力波攜帶著與電磁波截然不同的資訊，將為我們揭示宇宙新的奧秘，甚至為我們揭示宇宙誕生之初的奧妙

“一旦宇宙中某個(gè)地方因?yàn)樘祗w碰撞或爆炸產(chǎn)生了引力波，這種時(shí)空的“震蕩“會(huì)在宇宙間以光速傳播。如果離地球足夠近，就可以用“引力波天線“接收這些訊號(hào)。就像地球上時(shí)不時(shí)發(fā)生地震一樣，只要我們有一個(gè)好的地震儀就能探測(cè)到這些微乎其微的震蕩。”蘇萌說(shuō)。

蘇萌介紹，目前引力波根據(jù)其產(chǎn)生源不同，主要分四種，分布在不同頻率上。針對(duì)不同頻率，科學(xué)家設(shè)計(jì)了不同的探測(cè)手段。例如，這次LIGO實(shí)驗(yàn)組探測(cè)到的黑洞引力波就屬于高頻段，探測(cè)手段就是地面數(shù)公里的鐳射干涉裝置。

四種引力波中，原初引力波頻率最低，迄今為止還未被觀測(cè)到，其波長(zhǎng)跟整個(gè)宇宙的尺度差不多大。它不同于天體運(yùn)動(dòng)、演化形成的引力波，而是來(lái)自于宇宙早期，產(chǎn)生于宇宙大爆炸時(shí)宇宙時(shí)空劇烈的“暴脹”過程中。原初引力波的探測(cè)需要對(duì)宇宙大爆炸后微波背景輻射（宇宙微波背景輻射是宇宙誕生大概38萬(wàn)年后留下來(lái)的電磁波）進(jìn)行觀測(cè)，一旦被探測(cè)到對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)意義更加重大。

那么，探測(cè)到引力波到底有啥用？科學(xué)家們普遍認(rèn)為，這次LIGO這一發(fā)現(xiàn)是愛因斯坦相對(duì)論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中最后一塊缺失的“拼圖”，證實(shí)了愛因斯坦廣義相對(duì)論的正確性。

“既然引力波是存在的，基于引力波的科研思路可信性就大大提高了。就好像走一條未知的路，走到半路，有人懷疑不對(duì)，結(jié)果證實(shí)是對(duì)的，那么就可以加快步伐了。”蘇萌說(shuō)。

蘇萌說(shuō)，從科學(xué)上講，引力波的發(fā)現(xiàn)為我們打開了研究宇宙的全新窗口，射電、光學(xué)、伽馬射線等電磁波譜研究宇宙都是來(lái)自于光子攜帶的資訊，引力波攜帶著與電磁波截然不同的資訊，將為我們揭示宇宙新的奧秘，比如黑洞與黑洞并合時(shí)的物理過程。如果能探測(cè)到宇宙大爆炸時(shí)發(fā)出的原初引力波，那將為我們揭示宇宙誕生之初的奧妙。

“就好比，人類以前以為自己只有一雙能夠看見外界的眼睛（電磁波探測(cè)），現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)自己還有一雙能夠聽見外界的耳朵（引力波探測(cè)）。”中科院高能所研究員張新民說(shuō)。

引力波的發(fā)現(xiàn)對(duì)普通人的生活會(huì)產(chǎn)生什么影響？科學(xué)家們表示，一個(gè)新的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，總會(huì)給人類社會(huì)帶來(lái)無(wú)法預(yù)估的發(fā)展。18世紀(jì)描述電磁波的麥克斯韋理論確認(rèn)的時(shí)候，也沒有人知道會(huì)給人類帶來(lái)什么，但是現(xiàn)在不管是電視機(jī)還是行動(dòng)電話，都與電磁現(xiàn)象有關(guān)。

中國(guó)將如何作為？

“太極計(jì)劃”和“天琴計(jì)劃”要去太空探測(cè)引力波；“阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”的目標(biāo)是在地面探測(cè)原初引力波

LIGO的發(fā)現(xiàn)讓中國(guó)科學(xué)家對(duì)中國(guó)的引力波研究充滿期待。作為“阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”的負(fù)責(zé)人，張新民認(rèn)為，中國(guó)是一個(gè)大國(guó)，這個(gè)領(lǐng)域不能是空白。“我們必須抓緊創(chuàng)新而不是跟蹤，作出我們應(yīng)有的貢獻(xiàn)。”

實(shí)際上，早在上世紀(jì)70年代，中國(guó)科學(xué)家就開始了引力波研究，但由于種種原因停滯了十幾年，造成了人才斷層。直到2008年，在當(dāng)時(shí)還在中科院力學(xué)所國(guó)家微重力實(shí)驗(yàn)室工作的胡文瑞院士的推動(dòng)下，中國(guó)的引力波研究才再度開啟。

張新民介紹，目前中國(guó)的引力波研究主要有兩個(gè)方向，一是中科院剛剛提出的“太極計(jì)劃”和由中山大學(xué)領(lǐng)銜的“天琴計(jì)劃”，這兩個(gè)計(jì)劃都是要去太空探測(cè)引力波；二是由中科院高能物理研究所主導(dǎo)的“阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”，目標(biāo)是在地面探測(cè)原初引力波。這是兩個(gè)完全不同的研究方向和科學(xué)目標(biāo)。

中科院高能物理研究所副研究員李宏說(shuō)：“原初引力波太微弱，所以要選各種干擾盡量少的區(qū)域。比如要具備海拔高、大氣稀薄以及水汽含量低等因素。目前，科學(xué)家在全球共選出了4個(gè)最佳觀測(cè)點(diǎn)，分別是南極、智利亞他加馬沙漠、格陵蘭島和中國(guó)西藏阿里。”

據(jù)介紹，中科院國(guó)家天文臺(tái)在阿里建設(shè)的觀測(cè)站位于阿里地區(qū)獅泉河鎮(zhèn)以南約20公里處海拔5100公尺的山嵴，可以說(shuō)是北半球最好的觀測(cè)臺(tái)址。

張新民說(shuō)：“阿里專案造價(jià)小，周期短，可望5年內(nèi)出成果。”“太極計(jì)劃”的設(shè)想之一是在2030年前后發(fā)射3顆衛(wèi)星組成引力波探測(cè)星組，用鐳射干涉方法進(jìn)行中低頻波段引力波的直接探測(cè)，目標(biāo)是觀測(cè)雙黑洞并合和極大質(zhì)量比天體并合時(shí)產(chǎn)生的引力波輻射，以及其他的宇宙引力波輻射過程。“天琴計(jì)劃”將分四階段實(shí)施，大約需要20年的時(shí)間，投資大約150億元人民幣。

“如果說(shuō)引力波是一場(chǎng)宇宙交響曲，那么LIGO的成果只是一個(gè)序曲，但主樂章還是在空間探測(cè)領(lǐng)域，將解答更多重大學(xué)術(shù)問題。”“太極計(jì)劃”首席科學(xué)家胡文瑞說(shuō)。