引力波：带人类“倾听”宇宙之声

璀璨

北京时间2016年2月11日23时40分左右，激光干涉引力波天文台（以下简称LIGO）负责人、加州理工学院教授David Reitze宣布，人类首次发现了引力波。

就如同石头被丢进水里产生的波纹，引力波是一种时空涟漪。如今，这种涟漪终于被科学家发现了。能发现引力波，说明人类深空探测技术已经取得突飞猛进的发展，今后“倾听”宇宙之声将越来越轻松。相信人类会“听”到或“看”到更多的宇宙故事。而引力波自身，据说蕴含着宇宙诞生的巨量信息，并能够证明各种预见性理论。

在一片嘈杂的背景噪音中，一声“噗”的清脆声响，如水滴落水，持续时间短暂得不到1秒钟，这正是由引力波转化成的宇宙之声。2月11日在华盛顿召开的记者会上，美国LIGO科学家现场播放了来自宇宙的“声音”，

这个声音源自于13亿年前一个双黑洞系统的合并。正如LIGO项目组发言人、路易斯安那州立大学物理学家加布里埃拉，冈萨雷斯所言，那时“多细胞生物才开始在地球上扩散”。合并所产生的引力波信号，经过13亿年的漫长旅行。于2015年9月14日抵达地球，被LIGO的两个探测器以7毫秒的时间差先后捕捉到。“我们能够‘听见引力波，我们能够‘听见宇宙，这是引力波最美妙的事件之一。我们将不仅‘看见宇宙，还将‘倾听它。”加布里埃拉，冈萨雷斯在记者会上介绍。

黑洞、中子星等天体在碰撞过程中有可能产生引力波。1915年，爱因斯坦发表了广义相对论，并在随后几年的一些论文中预言引力波会产生于强引力场的天体事件。广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星近日点进动以及引力红移效应都已获证实，唯有引力波一直徘徊在科学家的“视线”之外。

百年来，科学家们对引力波的探测未曾停歇，但举步维艰。直至20世纪70年代。曾有美国科学家在观测双星系统的过程中，发现引力波存在的间接证据，并因此获得1993年诺贝尔物理学奖。百年来，也不断有实验声称直接探测到了引力波，并造成过轰动效果，其中包括20世纪60年代的韦伯实验，以及2014年的BICEP实验，但后来都被证明是乌龙。

这么神奇的波，来头不小。它到底有多重要？

先来认识下引力。它无处不在，主导了宇宙和星系。引力是人类最早定量认识的相互作用。牛顿发现引力后的几百年，物理学进展很快。

尽管牛顿的万有引力定律有着几乎完美的实验验证，但观念上把时间和空间分开考虑。而1915年爱因斯坦提出的广义相对论，进一步研究了引力和“时空几何”的关系，认识到引力是一种非常特殊的相互作用。这革新了牛顿的引力观念和时空观念，

广义相对论论证的一个重点就是，引力的本质是时空几何在物质影响下的弯曲。电影《星际穿越》里，一个质量超级巨大的星球，周围的时空是会发生扭曲的，星球质量越大，时空扭曲就越厉害，光和时间概念都发生了改变。起伏、震颤、波浪……你可以用各种词汇来形容你所理解的时空扭曲。

1916年，爱因斯坦又在广义相对论框架下发表论文，论证了引力的作用以波动的形式传播。这就是引力波的由来。

眼见为实。人类只相信真实探测到的。遗憾的是，引力波太“高冷”，人类百年来一直不能探测到它的存在。为什么？

由于引力波产生的效应很小，如果不主动排除外界干扰，不可能从“背景波动”中分辨出引力波信号。地震波、火车噪声、观测设备本身的极微小活动等都会构成干扰。

可是，技术是飞速发展的。一些刚升级的探测器也许能让物理学家一“睹”引力波的真面目，其中之一便是LIGO。这个位于美国路易斯安那州利文斯顿市与华盛顿州小城汉福德市之间数公里长的观测设施已于不久前完成改造工作，其探测灵敏度比5年前提高了10倍。

毫无疑问，引力波是对广义相对论的一个最直接的验证。另外，它在弱场中已经得到验证，但是对已强引力之下的验证，之前却从来没有验证过。所以此次观测，是对广义相对论的一个非常好的检验。引力波以光速传播，它与物质的相互作用非常非常的弱，所以引力波可以给我们提供宇宙几乎无阻挡的图景，而这个几乎是无法利用我们熟知的电磁波来达到的。比如，利用引力波，我们可以看到宇宙的最早期，宇宙大爆炸之后的1，0E-36秒开始的宇宙形成过程，而对于电磁波而言，它最早只能看到大爆炸后的大约300，000年之后的宇宙历史，在此之前，电磁波是不能给我们提供的。所以引力波是我们了解宇宙形成的最好工具。

在《星际穿越》电影中的结尾之时，主人公库珀身处一个五维时空的超体方体中，为了将从黑洞中心所提取出来的信息传递给身处四维时空的女儿墨菲，人为地制造引力波效应，成功将信息传递，从而人类得以解救。从目前物理学家的认识来看，引力波是唯一一种可以在不同维度传播的波。不同宇宙之间的碰撞，会产生引力波。说不定在不远的将来，我们也可以依靠引力波来判断多重宇宙的存在与否。

历史的发现轨迹告诉我们，每一扇新的窗口被打开，都会有令人称奇的发现。虽然LIGO的探测能力还是有限，一旦这个引力波的世界被撬开了一道小小的裂缝，让我们看到了春天的种子，相信硕果累累的引力波丰收季节也不会太远。

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