空間的漣漪

張軒中

“今人不見古時月，今月曾經(jīng)照古人。”十幾億年前的地球充其量還只有低等生命的存在。而那時遙遠外太空里一顆質(zhì)量為29倍太陽質(zhì)量的黑洞與另外一顆質(zhì)量為36倍太陽質(zhì)量的黑洞緩慢地靠近了，它們相互繞轉(zhuǎn)，最后碰撞并合在一起，并撥動宇宙的琴弦，發(fā)出引力波，引力波以光速傳播，在走了漫長的十幾億年后，如今正強烈地撥動著2016年地球人的心弦。

震撼人心的發(fā)現(xiàn)

100年前，愛因斯坦提出廣義相對論，把一維時間與三維空間看成一個整體，這一幾何體被稱為四維時空或四維流形。如果把這個四維時空做一個依賴于觀察者的3+1分解，就可以得到空間與時間。愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，三維空間本身是有彈性的，它會隨著一維時間振動。這一振動將在整個空間激發(fā)出一種波動，類似于水面上的漣漪，愛因斯坦稱這種空間的漣漪為引力波。

1919年，愛丁頓等人在日全食期間用光線彎曲的實驗論證了愛因斯坦廣義相對論是一個滿足天文觀測的理論。這一實驗為愛因斯坦的廣義相對論提供了實驗依據(jù)，也成為科學史上的大事件。此后，陸續(xù)有驗證愛因斯坦廣義相對論的實驗推出，但這些實驗都沒有超出太陽系的尺度，局限在宇宙一隅，猶如坐井觀天，并且沒有一個實驗看到彎曲空間的波動。

人類從未直接探測到引力波，科學家泰勒和赫爾斯僅通過對一個雙星系統(tǒng)的觀測——兩顆雙中子星相互圍繞著對方公轉(zhuǎn)——得到了引力波存在的間接證據(jù)，由此他們獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。此后，科學界有多種探測引力波的方法和設(shè)備，但一直無所斬獲。

終于，97年后的今天，一個震撼人心的實驗結(jié)果出現(xiàn)了，美國東部時間2016年2月11日上午10點30分（北京時間2月11日23點30分），美國國家科學基金會攜加州理工學院、麻省理工學院和激光干涉引力波天文臺科學合作組織的專家向全世界宣布，美國的激光干涉引力波天文臺首次直接探測到了引力波。其波源來自中心光度距地球13億光年之外的遙遠宇宙空間，由兩個黑洞碰撞并合所引發(fā)，這顯然是在強引力場下對愛因斯坦廣義相對論進行檢測與判斷的一個重要實驗。

十三億年的旅程

這次探測到的引力波是兩個分別為29倍太陽質(zhì)量與36倍太陽質(zhì)量的黑洞碰撞并合成一個62倍太陽質(zhì)量的黑洞所形成的。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13億年的漫長旅行，終于抵達了地球，被美國的激光干涉引力波天文臺的兩臺“孿生”引力波探測器探測到。

合并后的黑洞為什么損失了3個太陽質(zhì)量？原來，在兩個黑洞相互接近繞轉(zhuǎn)的過程中.會不斷朝外輻射引力波，而引力波的輻射會使得兩個黑洞的距離變小，它們之間的勢能降低，相互繞轉(zhuǎn)的頻率會變得更快，就如同舞池中繞轉(zhuǎn)的兩個芭蕾舞演員最終會抱在一起.這一過程會放出大量的引力波能量，損失的那3個太陽質(zhì)量就變成了引力波輻射出去。

這一輻射的能量有多大？通過愛因斯坦的著名質(zhì)能方程E=mc²計算可知，這相當于數(shù)以億億億億計的原子彈同時爆炸。其威力相當驚人，整個空間都在顫動。這一顫動也在十幾億年后傳到了地球，這就是目前引力波探測器探測到的引力波。

引力波信號傳遞到地球以后，其在激光干涉儀的接收器上會形成一個電子信號，這個電子信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后在終端電腦上表現(xiàn)為一個引力波信號波形。對這一波形的處理堪稱技術(shù)性難題，科學家需要從波形里讀出很多信息：黑洞合并所花費的時間，合并后黑洞的質(zhì)量，黑洞合并后事發(fā)現(xiàn)場到地球的距離等，科學家對引力波信號波形的分析足足花了幾個月的時間。

期待更多“零”的突破

這個首次被探測到的引力波的波源是雙黑洞合并所引發(fā)的，它的頻率在1Hz到100Hz之間，對其他頻段的引力波的探測目前還沒有實現(xiàn)“零”的突破，如10^-16Hz左右的會在宇宙微波背景上產(chǎn)生的原初引力波，用脈沖星計時陣探測10^-9Hz左右的雙超大質(zhì)量黑洞的引力波也是科學家們關(guān)心的物理實驗，這些頻率的引力波探測都還需要后續(xù)進一步的工作去完成。2015年7月，我國以中山大學為核心的科研團隊也啟動了探測引力波的“天琴計劃”。

發(fā)現(xiàn)引力波可以與100多年前發(fā)現(xiàn)電磁波的事件相提并論，從手機信號到微波爐，從wifi到GPS，很明顯，電磁波已經(jīng)改變了我們?nèi)祟惿鐣拿婷病Ｔ陔姶挪ū话l(fā)現(xiàn)100多年以后的今天，引力波被找到了，它是唯一可以在高維時空中傳播的波，這點與電磁波完全不同，對引力波的深入研究可以帶給我們對大尺度時空結(jié)構(gòu)信息的全面深入了解。同時，毫無疑問的是，憑借著引力波極強的穿透能力，未來它也許真能像科幻小說中描述的那樣，被人類用于星際領(lǐng)域通訊。（文章選自作者微信公眾號《賽先生》）

責任編輯 林洋