漸近耳畔的“宇宙之音”

引力波曾被很多人比喻為宇宙的“聲音”。正如在我們的日常生活中，聲音是不可分割的一部分，是人們對外界事物感知的重要途徑之一，引力波的作用也類似于此。一經證實，整個科學界都在沸騰，這是科學史上又一次具有劃時代意義的事件。

眾所周知，宇宙所有物質和能量之間都存在著引力，比如說，物體在地球上的重量便是由地球對其的引力所致。盡管引力是人類最早認識的一種基本作用力，但人們對它的認識始終不太清楚。因此，無論是在理論還是實驗領域，物理學家們對引力仍然探索不止。

一個世紀前，愛因斯坦預測了引力波的存在。對于它們的存在，近百年來，科學家們只能找到間接的證據。而在美國華盛頓當地時間2016年2月11日這一天，這個百年前的偉大預言終于被證實。當天上午，激光干涉引力波觀測臺（LIGO）實驗組召開新聞發布會，告訴全世界，首次直接觀測到了由2顆恒星級黑洞13億年前并合產生的引力波。這是科學史上又一次具有劃時代意義的發現。那么，究竟什么是引力波？它為什么如此重要？

是什么——白話“引力波”

如果把引力比作大海，那么引力波就是大海中波浪的激蕩。在了解引力波之前，讓我們先來說一說引力是什么。

引力全稱萬有引力，又稱重力相互作用，它是指具有質量的物體之間加速靠近的趨勢，簡單說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，可以說是無處不在。

中國科學技術大學物理學院教授蔡一夫解釋說，在經典力學中，萬有引力被認為是帶有質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論中，萬有引力是由于存在質量對時空的彎曲所造成的現象。“廣義相對論認為，物質的質量會使得時空彎曲。比如說一個人坐在沙發上時，原本平整的沙發表面就立刻會向下凹陷，出現一個坑，而之前放在沙發周圍的物體就有向坑中間滑落的趨勢，于是就產生了萬有引力。”

“在宇宙空間也是一樣，比如把太陽、地球、恒星、黑洞等大質量的天體放在時空中，時空就會形成‘凹陷彎曲，萬有引力也就產生了。”美國麻省理工學院物理系研究員蘇萌說。

由此可見，在愛因斯坦廣義相對論的視野里，引力等價于彎曲的時空。而引力波就是在彎曲時空這個大背景下，當發生有質量的物體加速運動導致的擾動時，由此產生的波動如波紋一樣向外傳播的現象。蔡一夫拿蹦床舉例進一步解釋說，“如果一個運動員站在蹦床上，他站著的那個位置就會形成一個凹陷，也就是我們所說的彎曲。如果這個運動員在那里一動不動的話，那個彎曲就像被扳彎的鋼尺一直緊繃在那里。這種緊繃其實是在儲存能量。如果他稍微動一動，跳一下，這個蹦床就會把他彈起來。為什么會被彈起來呢？就是因為之前儲存的能量釋放了。這種釋放不僅是把人彈到了空中，而且使得這個蹦床表面從一開始緊繃的靜止狀態一下子變成反復起伏、上下翻滾的褶皺狀態，這個起伏翻滾并傳開來的褶皺就可以理解成一個波動的傳播，即產生了引力波。”

蔡一夫說，如果把宇宙空間比作蹦床，把黑洞比作蹦床運動員，它在宇宙這個大蹦床上通過碰撞、并合等方式蹦了一下，就會把之前儲存的巨大能量釋放出來，這種行為會擾動周圍的時空，造成起伏和震動，這個能量就會以引力波的形式傳遞出去。這種起伏的程度越大，波動就越大，引力波也就越強。

探測難——迷你數值的頑強阻礙

只有宇宙中發生爆炸性大事件時產生的引力波，才相對容易探測到，比如黑洞并合、星系合并、超新星爆炸等。100年前，愛因斯坦在預言引力波存在時就曾說：“這些數值是如此微小，它們不會對任何的東西產生顯著的作用，沒人能夠去測量它們。”事實的確是這樣，萬有引力雖然無處不在，但它卻是我們已知物理世界中最弱的力。盡管它的很多行為類似電磁波，但是對它的波動性的探測卻比登天還難。

其實，我們日常生活中就有無數引力波的存在。每天我們的身體都在接受引力波的穿透，因為任何帶有質量的物體加速運動都會產生引力波，但是這些日常的引力波都太弱了，完全檢驗不到，更別提感受到了。

蔡一夫說：“舉個例子，大家知道太陽每天都會照射到地球上，我們從而能感受到陽光。太陽的光線是從太陽那里出發落到我們身上。那么，這個傳播的過程是什么？就是電磁波的傳遞。萬有引力也是一樣，太陽給我們陽光的同時，也給我們引力輻射，這個過程就是引力波的傳遞。這個引力作用也是從太陽那里出發到我們身上的，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到引力波呢？

“可以去探測大強度的引力波。引力波的強度跟天體的質量和運動劇烈程度有關。天體質量越大，運動越激烈，產生的引力波就越強。就好比蹦床運動員，他如果重量越大，彈跳得越高，能量釋放得越多，造成蹦床表面的起伏波動就會越大。”蘇萌說。

科學家們也同時表示，即使是宇宙中這類天體爆炸性的大事件產生的較強引力波，探測起來也是極其困難的，這對儀器和人的要求都很高。關于這點，蔡一夫給出解釋：“時間發生得越早，距離越遠，在宇宙傳播期間越會被紅移。紅移指的是由于宇宙本身的膨脹將所有波動的波長拉直拉平，這樣其波動性就難以被探測到。例如，這次LIGO探測到的引力波，是13億年以前2顆大約30個太陽質量的黑洞并合所產生的引力波，振幅之小，是在原子核尺寸的千分之一的尺度。能探測到真的非常不易，LIGO實驗組的科學家們也是在幾十年里經歷多次挫折，不斷調整方案、改進儀器，才最終探測到的。”

有啥用——無法估量的生活模式

引力波攜帶著與電磁波截然不同的信息，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。

“一旦宇宙中某個地方因為天體碰撞或爆炸產生了引力波，這種時空的‘震蕩會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。就像地球上時不時發生地震一樣，只要我們有一個好的地震儀就能探測到這些微乎其微的震蕩。”蘇萌說。

蘇萌介紹，目前引力波根據其產生源不同，主要分四種，分布在不同頻率上。針對不同頻率，科學家設計了不同的探測手段。例如，這次LIGO實驗組探測到的黑洞引力波就屬于高頻段，探測手段就是地面數千米的激光干涉裝置。

四種引力波中，原初引力波頻率最低，迄今為止還未被觀測到，其波長跟整個宇宙的尺度差不多大。它不同于天體運動、演化形成的引力波，而是來自于宇宙早期，產生于宇宙大爆炸時宇宙時空劇烈的“暴脹”過程中。原初引力波的探測需要對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38萬年后留下來的電磁波）進行觀測，一旦被探測到，對基礎物理學的意義將十分重大。

科學家們普遍認為，LIGO這一發現是愛因斯坦相對論實驗驗證中最后一塊缺失的“拼圖”，證實了愛因斯坦廣義相對論的正確性。

“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，結果證實是對的，那么就可以加快步伐了。”蘇萌說。

從科學上講，引力波的發現為我們打開了研究宇宙的全新窗口，射電、光學、伽馬射線等電磁波譜研究宇宙都是來自于光子攜帶的信息，引力波攜帶著與電磁波截然不同的信息，將為我們揭示宇宙新的奧秘，比如黑洞與黑洞并合時的物理過程。如果能探測到宇宙大爆炸時發出的原初引力波，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），現在發現自己還有一雙能夠聽見外界的耳朵（引力波探測）。”中科院高能所研究員張新民說。

引力波的發現對普通人的生活會產生什么影響？科學家們表示，一個新的重大科學發現總會給人類社會帶來無法預估的發展。18世紀描述電磁波的麥克斯韋理論被確認的時候，也沒有人知道會給人類帶來什么，但是現在不管是電視機還是移動電話，都與電磁現象有關。

如何作——運作中的“中國進行時”

“太極計劃”和“天琴計劃”要去太空探測引力波；“阿里實驗計劃”的目標是在地面探測原初引力波。LIGO的發現讓我國科學家對中國的引力波研究充滿期待。

作為“阿里實驗計劃”的負責人，張新民認為，中國是一個大國，這個領域不能是空白。“我們必須抓緊創新而不是跟蹤，作出我們應有的貢獻。”

實際上，早在20世紀70年代，中國科學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，在當時還在中科院力學所國家微重力實驗室工作的胡文瑞院士的推動下，中國的引力波研究才再度開啟。

張新民介紹，目前中國的引力波研究主要有兩個方向，一是中科院剛剛提出的“太極計劃”和由中山大學領銜的“天琴計劃”，這兩個計劃都是要去太空探測引力波；二是由中科院高能物理研究所主導的“阿里實驗計劃”，目標是在地面探測原初引力波。這是兩個完全不同的研究方向和科學目標。

中科院高能物理研究所副研究員李宏說：“原初引力波太微弱，所以要選各種干擾盡量少的區域。比如要具備海拔高、大氣稀薄以及水汽含量低等因素。目前，科學家在全球共選出了4個最佳觀測點，分別是南極、智利阿塔卡馬沙漠、格陵蘭島和我國西藏阿里。”

據介紹，中科院國家天文臺在阿里建設的觀測站位于阿里地區獅泉河鎮以南約20 000米處、海拔5 100米的山脊，可以說是北半球最好的觀測臺址。張新民說：“阿里項目造價小，周期短，可望5年內出成果。”

“太極計劃”的設想之一是在2030年前后發射3顆衛星組成引力波探測星組，用激光干涉方法進行中低頻波段引力波的直接探測，目標是觀測雙黑洞并合和極大質量比天體并合時產生的引力波輻射，以及其他宇宙引力波輻射過程。“天琴計劃”將分4個階段實施，大約需要20年的時間，投資大約150億元。

“如果說引力波是一場宇宙交響曲，那么LIGO的成果只是一個序曲，但主樂章還是在空間探測領域，將解答更多重大學術問題。”“太極計劃”首席科學家胡文瑞說。