话题之王引力波

冯小宝

物理学的丰收月

回顾2017年科学界的大事件，引力波是必然要提到的超热话题。整个10月，全世界媒体的目光都因为引力波而集中于物理学。

10月3日，诺贝尔物理学奖青睐引力波，颁给了与之相关的科学家：麻省理工学院雷纳·韦斯、加州理工学院巴里·巴里什和基普·索恩因“为激光干涉引力波天文台（LIGO）以及引力波的观测作出决定性贡献”而获诺贝尔物理学奖。

10月16日，全球数十家著名天文机构举行新闻发布会，宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波，并同时“看到”了这一宇宙事件发出的电磁信号。中國第一颗空间X射线天文卫星——“慧眼HXMT”望远镜也对此作出了贡献。

这两条大新闻都围绕着引力波，科学界对此反应热烈，科学家欢欣鼓舞。但对非专业人士来说，恐怕根本分不清这两条新闻有什么差别，只感觉似乎一夜之间所有媒体都在谈论引力波。至于新闻里提到的其他名词——黑洞、中子星……不是早就在物理学的相关书籍和新闻里出现过了吗？为什么科学家和媒体还会如此激动？要明白这一点，我们必须回溯到牛顿的经典物理学被颠覆的时刻，了解引力波理论的来源。

十分重要的证据

牛顿的经典物理学清晰、严谨、优美，我们在中学阶段学习的大部分力学内容，都属于牛顿力学，其中万有引力就是一个十分重要的知识点。在牛顿力学体系中描述的万有引力，没有时间的存在。在两个有质量的物体之间，万有引力瞬时发生，传递不需要时间。但爱因斯坦的广义相对论推翻了这一点，认为引力的传递是需要时间的。一个有质量的物体会弯曲时间与空间，这种弯曲向外传播，导致另一个物体受力情况改变，这就产生了万有引力。

引力源质量改变，导致引力振荡，就会形成引力波（想想物理课本中石子投在水中产生水波的例子），仿佛时空的涟漪。它以光速传播。

现在你明白引力波为什么这么受重视了吧？因为它是一个极其重要的证据，能够推翻一个原本被广为接受的理论，证实一个新的理论。

或许对生活在21世纪的你来说，爱因斯坦已经被捧上了神坛，牛顿力学什么的，不是早就被推翻了吗？不不不，我们所看到的，只是科学争论的结果。有一些证据被找到了，但还有更多的细节和证据，需要科学家在探索研究中去寻找、发现。引力波就是其中十分重要的一个，刚刚出炉，新鲜热乎。

难度MAX的探测

2015年9月14日，LIGO探测到了两个黑洞合并发出的引力波，这是人类第一次直接探测到引力波。此后，LIGO又在2015年12月26日、2017年1月4日和2017年8月14日探测到了引力波。

2016年2月12日，LIGO合作组宣布了2015年首次探测到引力波的消息，2017年，诺贝尔物理学奖就被颁给了相关科学家。这在这项大奖的历史上十分少见，大多数获奖者在发布成果后，等待了十几年甚至几十年，才获得了诺贝尔奖评委会的肯定。只有少数幸运儿（如杨振宁、李政道、赖尔等人），才像2017年的这三位获奖者一样，很快受到青睐。

科学成果与奖项之间的时间延迟是十分正常的，因为很多成果需要经过时间的检验。一些十分重要的科学理论，往往要经历很多争论，有时候甚至因为没有验证它的条件，而无法很快获得科学界的广泛认可。

引力波就是一个验证难度极大的对象，探测它的技术难度太大了。以2015年首次探测到的引力波为例：LIGO的干涉仪的臂长发生了4×10-18米的改变。

多信使的新时代

两个黑洞，一个质量相当于36个太阳，另一个质量相当于29个太阳。这两个黑洞合并后的黑洞，质量相当于62个太阳，于是就有相当于3个太阳的质量转化为引力波的能量。这么大能量的引力波，跨越13亿光年，穿过LIGO的两个探测器（一个位于美国华盛顿州汉福德，一个位于美国路易斯安那州利文斯顿），才让它们的臂长有了这么一点点的改变，才让人类能够探测到。

如果说，探测到了引力波，是知道有两个“大块头”在很远的地方发生了“火并”，那么关于这两个“大块头”的详细信息，我们就没法知道了。我们对远距离天体的了解，往往来源于其发射的电磁波，而黑洞合并时几乎不发射电磁波。2017年10月16日发布的大新闻，是说中子星的合并，不仅有LIGO在2017年8月14日探测到的引力波，还有伴随着这次引力波发出的电磁波，它被全球多台电磁望远镜“看”到了。因此，很多新闻都说，这是人类第一次“看到”引力波。与黑洞合并不同，中子星合并不仅产生引力波，还会抛射出少量物质，因此会发出多种电磁辐射。在这次观测中，科学家找到了该合并事件中与引力波对应的电磁辐射。

从此之后，我们可以用全新的手段去探索宇宙，引力波加入了电磁波、中微子等探测宇宙的队伍，多信使天文学的时代来临了！endprint