引力波：倾听宇宙的声音

肖振

当我们往池塘里扔石子时，水面上会泛起阵阵涟漪，而引力波就是太空中的涟漪。就像空气中的声波或将石头扔进池塘表面产生的涟漪一样，太空中大质量物体的运动会引起空间和时间结构的扭曲。但和扔石头不同的是，引力波是时空本身的振动，不需要类似水这样的波动介质，这意味着它们能在太空的真空中波动。

人类很早就对引力波有猜想了。1915年，伟大的科学家阿尔伯特·爱因斯坦提出关于时空和引力的想法。

爱因斯坦预言，当两个物体（如行星或恒星）相互绕行时，这种运动可能会在太空中引起涟漪。这些涟漪会像池塘里的涟漪一样扩散开来，也就是引力波。引力波是看不见的。但是它们的速度非常快，能够达到光速行进。引力波会挤压和拉伸它们运动路径上的任何事物。

1974年，天文学家乔·泰勒（Joe Taylor）和罗素·赫尔斯（Russell Hulse）追踪了一对旋转的脉冲星。当这对脉冲星相互旋转时，它们越来越靠近，这表明它们正在释放能量。计算表明，这种能量损失是以引力波的形式出现的，这一发现为泰勒和赫尔斯赢得了1993年的诺贝尔奖。

2015年，美国科学家首次探测到引力波。他们使用了一种非常灵敏的设备，称之为LIGO（激光干涉引力波天文台）。科学家用LIGO探测到了两个黑洞相互碰撞时发出的引力波。两颗黑洞的初始质量分别为29颗太阳和36颗太阳，合并成了一颗62倍太阳质量高速旋转的黑洞，亏损的质量以强大引力波的形式释放到宇宙空间，经过13亿光年漫长的时空旅行，终于抵达了地球。

引力波的首次探测是科学史上一个非常重要的事件。在此之前，人类对宇宙的了解几乎都来自对光波的研究。现在通过研究引力波，我们有了一种新的方法来了解宇宙。

在过去，人类只能通过捕捉宇宙的光来探索宇宙的信息，而引力波可以让我们听到宇宙的声音。

今天的引力波探测器可以发现中子星和黑洞碰撞产生的波。截至2018年底，科学家已经探测到了10次黑洞合并和1次两颗中子星碰撞事件。随着更多探测结果的出現，天文学家将了解更多关于黑洞、中子星的信息。

对引力波的成功探测，也验证了爱因斯坦的相对论。在以往的引力理论预测中，光和引力波会在不同的时间段到达地球。而经过探测证实，引力波和光波到达地球的时间相差只有几秒钟，这意味着两者传播速度一样，和爱因斯坦的理论相符。

引力波也有助于人类揭开宇宙的其他秘密。通过分析引力波，科学家或许能很快解开宇宙膨胀速度的谜题，还可能揭示宇宙的最终命运。

引力波对地球的影响比质子的宽度小数千倍，质子是构成原子核的粒子之一。也就是说，引力波传播得越远，引力波就越弱，就像池塘上的涟漪一样。但是，引力波会拉伸和压缩物体。假设LIGO首次探测到的黑洞合并和地球的距离，与地球距太阳的距离一样远，那么这次合并发出的引力波就会把地球“拉长”90厘米。但人只会感受到百万分之一米的压力，远远小于我们跳起来和落在地面上时感受到的力。

在LIGO科学合作组织近千名科学家中，有不少来自中国的科研人员，更有一个团队来自中国，那就是清华大学LIGO工作组。其它的引力波监测计划也在中国启动：中山大学启动了引力波探测工程“天琴计划”；在贵州，中科院国家天文台射电部的FAST射电望远镜，号称中国有史以来最大的天文项目；太极计划是一个中欧合作的国际合作计划，拟用激光干涉方法进行中低频波段引力波的直接探测。

2023年7月，中国科学院国家天文台等单位科研人员组成的中国脉冲星测时阵列（CPTA）研究团队利用中国天眼FAST，探测到纳赫兹引力波存在的关键性证据，表明我国纳赫兹引力波研究已与国际同步达到领先水平。

在诺兰的科幻电影《星际穿越》中，主人公被困在黑洞中的五维空间里，竟然可以用引力波拨动处在过去时间的图书，这种神奇的科幻场景虽然不太可能会在现实中出现，但也是根据引力波的科学原理展开的合理想象。随着对引力波的探索更加深入，人类会了解更多宇宙的秘密，迈向更加辽阔的星辰大海。