宇宙中泛起的『時空漣漪』

宇宙中泛起的『時空漣漪』

如果把天文學發現比作人類探視宇宙的“眼睛”，那么引力波的發現猶如給人類添了個“順風耳”，使人類從此可以傾聽宇宙深處的聲音。

時空中的漣漪

當美國國家科學基金會宣布，人類第一次直接探測到了引力波，全世界的科學家都振奮了。

簡單來說，引力波就像是時空的漣漪。如果把時空想象成一個巨大的湖面，一顆高爾夫球在湖面上的運動會產生陣陣漣漪，球的質量越大，速度越快，湖面泛起的漣漪就越大。那么，在宇宙中天體運動帶來的漣漪，就是我們所說的引力波。

早在1916年，愛因斯坦提出廣義相對論，并在次年6月發表的新論文中預言，發生黑洞合并、脈沖星自轉以及超新星爆發等一些強引力場事件時會產生引力波。

這次我們探測到的引力波，正是來自13億年前兩顆黑洞的合并，一顆是29倍太陽質量的黑洞，一顆是36倍太陽質量的黑洞，合并后的黑洞質量為62倍太陽質量。

愛因斯坦認為，引力是因質量對于時空造成變形所致，如同石頭丟進水里產生的波紋一樣，而非質量之間的吸引。

打個比方，如果將時空看成一張非常大的橡膠膜，用小球代替天體，小球放在橡膠膜上時，球的質量會把橡膠膜往下壓。這時，如果在旁邊再放一顆球，兩顆球分別造成的“時空彎曲”會讓它們逐漸滾向對方。當它們互相加速運動時，產生的“漣漪”就是引力波。宇宙中大質量天體的加速、碰撞和合并等事件都會形成強大的引力波。

由此，引力波被賦予了一個如詩般的名字——宇宙中泛起的“時空漣漪”。

感受時空之顫

引力波與宇宙中物質的相互作用是非常微弱的，再厚的墻壁在其面前都如同透明一般，因此它能夠將包含著源中心區域最核心的信息傳播至很遠的宇宙空間，可以讓我們以嶄新的視角回望宇宙大爆炸最初的瞬間，檢驗宇宙大爆炸理論正確與否。它是了解宇宙形成的最好工具。

然而，現代物理學認為，引力波是一種與電磁波不同的輻射，無法通過電磁輻射直接觀測。因此，對其蹤跡“捕獲”極為困難。

愛因斯坦在預言引力波存在時，發現自己的方程有一組解與電磁波的性質類似，以光速傳播。但他在論文中指出，因為這個引力波輻射的能量很少，在所有能想得到的情況下，都可以被忽略。

也就是說，引力波并不容易產生。地球以每秒30千米的速度圍繞太陽行進，發出的引力波功率僅為200瓦，還不如家用電飯煲的功率大。只有宇宙深處大質量的天體發生加速、碰撞和合并等劇烈活動才可能形成強大的引力波，對所在的時空產生擾動，時空自身的波動也會向遠處傳播。但能產生這種較強引力波的波源距離地球都十分遙遠，傳播到地球時已變得非常微弱。

一旦引力波為地球上的我們所感知，從某種角度而言，那將是人類在感受時空本身的顫動！

對物理學家來說，這輕輕的一震，比《美人魚》《星球大戰》乃至人類史上所有的電影加起來都好看，因為它蘊含的劇情，是宇宙誕生的畫面。

我們從小就被告知一個著名的猜想——宇宙是在一場大爆炸中誕生的。這意味著，在時空開始時，這個大蹦床有一次劇烈的震動。引力波能讓我們還原這個震動——它是否存在，有多大規模，諸如此類。

引力波的前世今生

探測到引力波并非易事。整整一個世紀，眾里尋他千百度，科學家直到最近才探尋到它的蹤跡——

1916年，愛因斯坦發表場方程，建立了廣義相對論，預言了引力波的存在。

1916年，史瓦西計算了不旋轉、無電核黑洞的物理性質，推導出廣義相對論球對稱引力場的嚴格解，推動了引力波的研究。

1962年，羅伊·克爾給出了旋轉黑洞的解，為引力波的發現打下了基礎。

1974年，脈沖雙星PSR 1913+16的發現，證實了致密雙星系統的引力輻射與廣義相對論的預言一致。

2014年，位于南極的BICEP（宇宙泛星系偏振背景成像）實驗室聲稱直接探測到了引力波，后來被證明是“烏龍”事件。

2016年，LIGO（激光干涉引力波天文臺）科學合作組織宣布直接探測到了引力波。科研人員首次“聽”到來自距離地球13億光年之外的一場引力風暴，兩個巨大質量黑洞碰撞、合并瞬間對時空的擾動，即引力波。

實際上，盡管觀測宇宙的望遠鏡越來越靈敏，讓我們看到了諸多圖像，但對宇宙的認識一直處于一片寂靜之中。如今，引力波的發現猶如給人類添了個“順風耳”，使人類從此可以傾聽宇宙深處的聲音。

人類對宇宙的認知范圍被重新定義，遮在眼前的帷幕被悄悄拉開了一角。

（培 培）