空间的涟漪

张轩中

“今人不见古时月，今月曾经照古人。”十几亿年前的地球充其量还只有低等生命的存在。而那时遥远外太空里一颗质量为29倍太阳质量的黑洞与另外一颗质量为36倍太阳质量的黑洞缓慢地靠近了，它们相互绕转，最后碰撞并合在一起，并拨动宇宙的琴弦，发出引力波，引力波以光速传播，在走了漫长的十几亿年后，如今正强烈地拨动着2016年地球人的心弦。

震撼人心的发现

100年前，爱因斯坦提出广义相对论，把一维时间与三维空间看成一个整体，这一几何体被称为四维时空或四维流形。如果把这个四维时空做一个依赖于观察者的3+1分解，就可以得到空间与时间。爱因斯坦发现，三维空间本身是有弹性的，它会随着一维时间振动。这一振动将在整个空间激发出一种波动，类似于水面上的涟漪，爱因斯坦称这种空间的涟漪为引力波。

1919年，爱丁顿等人在日全食期间用光线弯曲的实验论证了爱因斯坦广义相对论是一个满足天文观测的理论。这一实验为爱因斯坦的广义相对论提供了实验依据，也成为科学史上的大事件。此后，陆续有验证爱因斯坦广义相对论的实验推出，但这些实验都没有超出太阳系的尺度，局限在宇宙一隅，犹如坐井观天，并且没有一个实验看到弯曲空间的波动。

人类从未直接探测到引力波，科学家泰勒和赫尔斯仅通过对一个双星系统的观测——两颗双中子星相互围绕着对方公转——得到了引力波存在的间接证据，由此他们获得了1993年的诺贝尔物理学奖。此后，科学界有多种探测引力波的方法和设备，但一直无所斩获。

终于，97年后的今天，一个震撼人心的实验结果出现了，美国东部时间2016年2月11日上午10点30分（北京时间2月11日23点30分），美国国家科学基金会携加州理工学院、麻省理工学院和激光干涉引力波天文台科学合作组织的专家向全世界宣布，美国的激光干涉引力波天文台首次直接探测到了引力波。其波源来自中心光度距地球13亿光年之外的遥远宇宙空间，由两个黑洞碰撞并合所引发，这显然是在强引力场下对爱因斯坦广义相对论进行检测与判断的一个重要实验。

十三亿年的旅程

这次探测到的引力波是两个分别为29倍太阳质量与36倍太阳质量的黑洞碰撞并合成一个62倍太阳质量的黑洞所形成的。亏损的质量以强大引力波的形式释放到宇宙空间，经过13亿年的漫长旅行，终于抵达了地球，被美国的激光干涉引力波天文台的两台“孪生”引力波探测器探测到。

合并后的黑洞为什么损失了3个太阳质量？原来，在两个黑洞相互接近绕转的过程中.会不断朝外辐射引力波，而引力波的辐射会使得两个黑洞的距离变小，它们之间的势能降低，相互绕转的频率会变得更快，就如同舞池中绕转的两个芭蕾舞演员最终会抱在一起.这一过程会放出大量的引力波能量，损失的那3个太阳质量就变成了引力波辐射出去。

这一辐射的能量有多大？通过爱因斯坦的著名质能方程E=mc²计算可知，这相当于数以亿亿亿亿计的原子弹同时爆炸。其威力相当惊人，整个空间都在颤动。这一颤动也在十几亿年后传到了地球，这就是目前引力波探测器探测到的引力波。

引力波信号传递到地球以后，其在激光干涉仪的接收器上会形成一个电子信号，这个电子信号经过模数转换后在终端电脑上表现为一个引力波信号波形。对这一波形的处理堪称技术性难题，科学家需要从波形里读出很多信息：黑洞合并所花费的时间，合并后黑洞的质量，黑洞合并后事发现场到地球的距离等，科学家对引力波信号波形的分析足足花了几个月的时间。

期待更多“零”的突破

这个首次被探测到的引力波的波源是双黑洞合并所引发的，它的频率在1Hz到100Hz之间，对其他频段的引力波的探测目前还没有实现“零”的突破，如10^-16Hz左右的会在宇宙微波背景上产生的原初引力波，用脉冲星计时阵探测10^-9Hz左右的双超大质量黑洞的引力波也是科学家们关心的物理实验，这些频率的引力波探测都还需要后续进一步的工作去完成。2015年7月，我国以中山大学为核心的科研团队也启动了探测引力波的“天琴计划”。

发现引力波可以与100多年前发现电磁波的事件相提并论，从手机信号到微波炉，从wifi到GPS，很明显，电磁波已经改变了我们人类社会的面貌。在电磁波被发现100多年以后的今天，引力波被找到了，它是唯一可以在高维时空中传播的波，这点与电磁波完全不同，对引力波的深入研究可以带给我们对大尺度时空结构信息的全面深入了解。同时，毫无疑问的是，凭借着引力波极强的穿透能力，未来它也许真能像科幻小说中描述的那样，被人类用于星际领域通讯。（文章选自作者微信公众号《赛先生》）

责任编辑 林洋