感受宇宙的脉搏

一只大黑猫

在经历了一波又一波关于引力波的传言之后，北京时间2月11日晚11点30分，加州激光干涉引力波观测站（LIGO）联合创办人基普·索恩（Kip Thorne）于华盛顿国家新闻社向全世界宣布：人类首次直接探测到了引力波。就在2015年9月14日北京时间17点50分45秒，LIGO位于美国利文斯顿与汉福德的两台探测器同时观测到了信号。

自此，“引力波”这三个字以链式反应般的速度引爆全球，人们一致认为它开启了探索宇宙的新窗口，全世界都在为此而欢欣鼓舞。

万有引力与引力波

引力是物理上的四种基本力之一，天体有规律地运行，人们不能直接从地面飘向高空，都是因为存在引力。在很多领域，引力或者说重力，是不利因素，比如没有重力或重力很弱的话，那随便一跳就可以飞起来了（在月球和宇宙飞船里就是这样）。但引力又不可或缺，飞船上感受不到重力是因为地球引力成为飞船环绕地球的向心力，而并不是不存在。如果它真的不存在，飞船就会因惯性而飞离地球了。那么，引力究竟是什么，又是靠什么传输，能不能改变和利用它，就像利用电磁力那样呢？近百年来，很多人都在关注这些问题，并且就在最近得到了惊人的结果。

经典物理学认为，引力是物体间相互吸引的作用，大小正比于两物体质量之积，反比于它们质心距离的平方。任何物体，只要存在静止质量或运动质量，就都会受到引力的作用。对比电磁力，质量相当于电荷，而电磁力要靠电磁波传输，所以很多人相信也存在“引力波”，而最初提到这个概念的正是大科学家爱因斯坦。在较深入的研究中，人们更常用“空间弯曲”来描述引力，仿佛物体的质量“压弯”了空间，从而让它们有相互靠近的趋势一样。同时，既然引力能够改变空间，有人相信空间结构的不均匀分布也会产生引力，这就构成了另一种对引力的描述。当然，在所有描述中，引力在日常生活能接触到的范围内作用都是相同的。

艰难的观测

法国科学家德布罗意（Louis Victor de Broglie）认为，物质可以由粒子构成，也可以由波构成，所以每个有质量的物体必然也载有波，他称这种波为物质波，本质很可能就是引力波。同时，类似无线电发射的原理，电荷震荡会产生电磁波，物体震荡也会产生引力波。这两种波中，前者是稳定的，表现得类似池塘中的涟漪，学术上称为“引力场”，地球重力或飞船环绕地球的向心力就是它的作用。后者则与震荡的形式、频率等有关，会在宇宙中传播，并且引起空间或其他物体的相应波动。

是的，尽管曾经报道了很多“发现”引力波的新闻，但实际上各种引力波一直被人们感受和观测着，只不过以前没有真正发现与物质震荡关联明确的引力波现象。这是因为，通常天体等大质量物体的震荡相对自身质量太微弱，而任何物体，包括空间本身都会受到引力作用，必须用对比测量才能识别引力波动，这使得观测技术十分复杂。为了测量引力震荡导致的物体或空间微小波动，引入了一种迈克尔逊-莫雷实验装置。它有垂直相交的两条等长臂，通过测量不同方向上的臂长变化，可以发现空间或物体的波动，这次宣布的在去年9月观测到引力波的LIGO和VIRGO、GEO600等都属于这类。于是，当LIGO刚刚升级调试完毕几天后，引力波就这样被“发现”了。

撼动宇宙的心跳

所以，刚刚被发现的并不是引力波，而是观测宇宙物质和空间波动的新手段。那么，到底哪些现象会被观测到呢？现在认为有四种：

第一种，中子星或黑洞之类组成的双星系统的演化，典型的就是2015年9月发现的两个互相环绕的黑洞合并。

第二种，快速旋转的中子星等致密天体，它们的旋转运动会导致周期性引力波辐射。曾经认为这是最容易观测到的引力波源，因为符合条件的星体很多，但目前还没观测到，可能与信号强度和星体表面质量不对称等情况有关。

第三种，引力波背景辐射，类似于电磁波背景辐射，是宇宙大爆炸的遗迹，可以让宇宙学家更好地了解大爆炸初期发生了什么。

第四种，恒星爆发时的非对称性引力波，有点像对超新星照“透视”，可以直接探测到来自天体内部的信息，但解读需要大量的研究和数据积累。

综上所述，引力波的“发现”，让人们继400多年前发明望远镜之后又获得了一个探索宇宙的新手段。由于引力波与光（也就是电磁波）在产生原理和传播方式上的不同，利用它可以观测到更丰富的宇宙现象。例如，宇宙中可能存在不辐射电磁波，因此传统手段无法直接看到的“暗”物质（但它们有质量）用引力波观测很可能就清晰可见了。另一方面，对已发现的宇宙现象，如双星体系的演化，也可以借助引力波数据进行印证。

科学意义和未来应用？

引力波事件的直接观测，对近几十年来举步艰难的基础科研可以说是一针“强心剂”。

首先，这自然是一种新天文观测手段的发展成熟。如上所述，在引力波的帮助下，大量新天文现象亟待发掘，“引力波天文学”已成为近来快速崛起的术语名词。

同时，引力波是爱因斯坦广义相对论中最后一个未被证实的假说，2015年观测到的黑洞融合是对它的直接验证，如果数据能得到进一步证实，将为这个理论画上完美的句号。

此外，观测引力波背景辐射对天体物理和宇宙学也是意义重大，可以帮助理解“大爆炸”初期宇宙的“暴涨”，并成为联系量子物理尺度下的“大统一”引力和宏观宇宙尺度引力的桥梁，推动相关理论的完善。

最后，“发现”引力波的过程本身对普通人也十分重要，因为它促使了新一波科学热和对大科研的再度关注。LIGO耗资3.65亿美元，其他观测项目也花费大量金钱，更重要的是，这些领域的学者几乎默默无闻地工作了50年，才有了如今的惊人发现，这和眼下普遍急功近利的所谓“创新”研究形成了鲜明对比。已有不少学者和有识之士表示，引力波观测这样的大科研才该是集中国家力量努力推动的方向，科学研究要努力开拓人类的视野，而不应寄希望于在短期内取得经济利益。

目前，引力波观测的应用主要限于学术领域，虽然能够被观测到的引力波一定也能够传递信息，或用于通信，但这需要驱动相当于太阳数十倍质量的恒星碰撞融合才能发出。也许某一天我们能从引力波数据中解读出一条外星人发来的招呼，但不必担心因此招来三体人入侵，因为就算想回答，暂时也无力做到。

更进一步想象下去，既然观测到了引力波，那就有可能开发改变甚至屏蔽引力波的技术，比如“反重力”飞行等等，这就要靠读者们努力了。