引力波：竊聽宇宙深處的秘密

迄今為止，我們對宇宙的大部分認識都來自于“看”—使用望遠鏡收集可見光以及其他形式的電磁輻射，包括射電波、紅外線和X射線等。但通過光線，科學家永遠無法回溯到時間的起點，無論我們將望遠鏡建造得如何龐大、復雜。

想要看到宇宙微波背景輻射之外、宇宙起源的情景，宇宙學家必須轉而借助引力。引力會在時空中激起漣漪，我們稱之為引力波（gravitational wave）。引力波可讓天文學家觀察到一些至今都未能觀察到的宇宙場景，引力波能穿越光波無法穿越的屏障，將黑洞內部的真實情形告訴我們；它還能穿過宇宙微波背景輻射（CMB），打破這個阻擋住光線前進的壁壘。引力波帶給我們的是一雙能夠傾聽宇宙任何角落的耳朵，甚至能追溯時間的早期歷史。

捕捉宇宙的漣漪

探測引力波需要新型的儀器，一些與望遠鏡完全不同的儀器。

激光干涉引力波天文臺（LIGO）是目前這類研究中最成功的成果。該天文臺耗資5.7億美元，由三臺儀器構成，兩臺在美國華盛頓州，一臺位于路易斯安那州。每臺儀器都堪稱工程學上的奇跡。儀器利用激光設備，能夠探測到相當于原子直徑大小的長度變化。

LIGO的工作原理是沿著兩條互相垂直的探測臂發射激光束，通過對比兩條激光束的長度來進行測量，這種方法被稱為激光干涉法。如果一列足夠強的引力波穿過儀器探測空間，就會反復引起空間的膨脹或收縮，這樣兩條光臂的相對長度就會發生變化。從本質上來說，LIGO就是一個天文“大聽筒”，傾聽著隱秘宇宙中微弱的引力波。

就算不考慮高昂的成本，LIGO在地面上也難展拳腳。從某些方面看，它的任務只是進行概念驗證，是引力波科學最終進入最佳研究場所—太空的非常必要的第一步。

對引力波探測而言，地球是個糟糕的實驗室，地表下頻繁的板塊碰撞和地表上來回晃蕩的海洋，使得地殼總是處在地震的噪音之中。由此產生的任何一絲振動或抖動，都能輕易淹沒引力波拉伸時空時那細若游絲的“嗚咽”。

想要把各種強度的引力波都聽個真切，探測器必須高懸在大氣層之外的空淵之中，只有那里才更加平靜。在美國航空航天局戈達德宇宙飛行中心，兩組工程師正在努力爭奪建造首個空間引力波探測器的機會。

成立時間較長的那一組已經將手中的項目—空間天線式激光干涉儀（LISA），打磨了幾十年。LISA任務是一個非常大膽的工程項目，要求的精度非常高，與之相比，LIGO就像個樂高玩具。

LISA項目需要發射三個空間飛行器繞太陽旋轉，三個飛行器會排列成邊長500萬千米的等邊三角形。一旦飛行器就位，就可以通過激光來不斷精確測量它們之間的距離。如果有引力波通過，飛行器就會受到擾動，使等邊三角形扭曲變形，激光就能夠敏銳地捕捉到這一變化。

NASA超前概念研究部的一個小型團隊，最近已經開始研發另一種新型引力波探測器，其基礎是一種尚處于雛形狀態的新技術—原子干涉。利用的是在兩個相距1000千米的飛行器外凝聚的超冷原子氣體團，需要用到激光束切割等尖端技術。

但這些年來，隨著詹姆斯·韋伯太空望遠鏡吞掉了NASA大部分天體物理學方面的經費，同時LIGO又一無所獲，天文學家很難找到充分的理由來申請數十億美元建造一臺引力波探測器。LISA項目想要得到認可和經費支持，可能至少要到十 年之后。

LISA項目的人說，競爭對手原子干涉儀所謂的節省經費，只是由于這是一項新技術，無法準確評估其所需經費。這樣吸引眼球的能帶來飛躍的新技術，往往都會低估龐大的研發費用。

證明廣義相對論之后最偉大的引力實驗

和許多奇異的物理現象一樣，引力波最初只是一個理論構想，是從方程中推導得出的，而非真實的實驗觀察。阿爾伯特·愛因斯坦首先提出了這一概念，并在他的廣義相對論中預言了引力波的存在。他認為某些質量非常大、運動速度又非常快的物體，會對周圍時空結構產生擾動，引力波就是時空擾動向外傳遞的微小漣漪。

這種漣漪有多微小呢？愛因斯坦認為，引力波小到永遠無法被觀測到。但到了1974年，兩位天文學家拉賽爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒，通過一個非常巧妙的實驗間接驗證了引力波的存在。他們對一種名為脈沖雙星的天體進行了深入研究。脈沖星是很久以前爆發的恒星遺留下的高速自轉、不斷向外發射輻射的內核，它們的自轉和輻射都極為規律，因此深得天文學家的青睞，將其用作宇宙中的“鐘表”。

在一個脈沖雙星系統中，一顆脈沖星和另一個天體互相繞轉。赫爾斯和泰勒意識到，如果愛因斯坦的相對論是正確的，這對繞轉的天體就會產生引力波，引力波會不斷帶走相互繞轉的軌道能量，最終這兩個天體繞轉的軌道就會逐漸收縮，而繞轉速度也越來越快。

他們繪制出了脈沖星可能的變化路徑，然后細心觀測了數年之久，觀察記錄數據中是否會出現軌道收縮的證據。記錄數據表明，軌道確實在收縮，而且和他們的預言完美吻合，完美而徹底地證實了愛因斯坦的理論，赫爾斯和泰勒因此獲得了1993年諾貝爾物理學獎。

從理論上說，引力波有助于彌補光波的很多不足，不僅局限于光無法揭示時間的起點這一點。光作為信息載體還有其他一些缺陷。光信號非常脆弱。它們在穿越宇宙的過程中常常會衰減甚至完全消失。科學家想進一步了解黑洞，特別是當兩個黑洞相遇，其中一個被吞噬時的真實情景，但是沒有一束來自黑洞的光線能夠到達我們的望遠鏡或眼睛，因為盡管光子非常快，但也無法擺脫黑洞中心的引力。

愛因斯坦告訴我們，只要質量夠大，一個物體的運動就能在時空中產生漣漪，在宇宙內傳播。這些引力波是我們觀察那些用光波無法觀測的事件的唯一手段，例如兩個黑洞的碰撞，或者大爆炸之后十億分之一秒（10-9 秒）內宇宙嘈雜的量子漲落。