霍光

1916年，德國(guó)《物理學(xué)紀(jì)事》發(fā)表了一篇論文，這給此后100年的時(shí)空帶來(lái)了陣陣漣漪。論文的作者是阿爾伯特·愛(ài)因斯坦，題目是《廣義相對(duì)論基礎(chǔ)》。

100年之后，美國(guó)東部時(shí)間2016年2月11日，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）與來(lái)自加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院以及科學(xué)合作組織“激光干涉引力波天文臺(tái)”（LIGO）的科學(xué)家共同宣布：LIGO于去年9月14日首次探測(cè)到引力波，證實(shí)了愛(ài)因斯坦100年前所做的預(yù)測(cè)，彌補(bǔ)了廣義相對(duì)論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中最后一塊缺失的拼圖。

姍姍來(lái)遲的引力波是什么？

廣義相對(duì)論是愛(ài)因斯坦最引以為傲的成就之一。有一種說(shuō)法是，愛(ài)因斯坦曾經(jīng)這樣說(shuō)過(guò)：“如果我不發(fā)現(xiàn)狹義相對(duì)論，5年之內(nèi)就會(huì)有人發(fā)現(xiàn)；但如果我不發(fā)現(xiàn)廣義相對(duì)論，50年之內(nèi)都不會(huì)有人發(fā)現(xiàn)?！?/p>

如今，引力波被發(fā)現(xiàn)，再次證明了廣義相對(duì)論的重要性。那么，引力波到底是什么？為什么探測(cè)到它需要百年努力？

事實(shí)上，廣義相對(duì)論的很多推論是人們的直覺(jué)無(wú)法理解的。其中一項(xiàng)就是，廣義相對(duì)論中，引力被歸咎于時(shí)空的彎曲。它的意思是，我們平時(shí)看到的空間貌似是平直的，但真實(shí)的情況中，卻是像哈哈鏡里一樣扭曲的。這種扭曲是物質(zhì)造成的，質(zhì)量越大，扭曲就越大。不過(guò)，身處時(shí)空當(dāng)中的觀測(cè)者會(huì)隨著時(shí)空一起扭曲，同時(shí)扭曲程度也太小，因而人類無(wú)法直觀感覺(jué)到這種扭曲。但我們看到的平面，并不一定是物理意義上的“平面”。

我們可以把宇宙想象成一張蹦床，如果沒(méi)有任何擾動(dòng)，它是平坦的。但有質(zhì)量的物體出現(xiàn)時(shí)，比如一個(gè)雞蛋，來(lái)游樂(lè)場(chǎng)的小孩子，或者是地球這樣的龐然大物，它就會(huì)變得彎曲。廣義相對(duì)論提出，引力的本質(zhì)，正是這種彎曲所帶來(lái)的。

如果只是彎曲還好。但如果這個(gè)大質(zhì)量物體發(fā)生變化——雞蛋被吃了，小孩子蹦走了，或者地球爆炸了——蹦床就會(huì)開(kāi)始震動(dòng)，這種震動(dòng)就是引力波。當(dāng)然，跟著一起震動(dòng)的我們也感覺(jué)不到它在震動(dòng)。

事實(shí)上，上世紀(jì)60年代，馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家韋伯（JosephWeber）曾宣稱他探測(cè)到了引力波，但因后來(lái)的重復(fù)實(shí)驗(yàn)一無(wú)所獲，這一發(fā)現(xiàn)并未得到認(rèn)可。從那時(shí)起，對(duì)引力波的探索從未停止過(guò)。

2016年，LIGO的發(fā)現(xiàn)，改變了百年來(lái)引力波探索一無(wú)所獲的歷史。難怪物理學(xué)家要為之痛哭流涕。

執(zhí)著的美國(guó)高校和慷慨的NSF

“它是辛苦的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮途徛?，又是震撼性的、革命性的和催化性的?！?/p>

在引力波發(fā)現(xiàn)后，麻省理工學(xué)院校長(zhǎng)L.Rafael Reif這樣評(píng)價(jià)基礎(chǔ)科學(xué)研究的價(jià)值。事實(shí)也是如此，引力波從被預(yù)言到被發(fā)現(xiàn)，花去了100年時(shí)間，單是LIGO的科研人員就用去了三十多年才探測(cè)到了短短0.2秒的信號(hào)。

LIGO的原理是什么？假設(shè)我們有兩個(gè)短跑運(yùn)動(dòng)員，他們?cè)谌魏吻闆r下跑步速度都一樣，那么，如果跑道因?yàn)橐Σ〝_動(dòng)，長(zhǎng)度發(fā)生了變化——就像蹦床表面會(huì)因受力，在一個(gè)方向上拉伸一樣，他們從兩條原本長(zhǎng)度相同的跑道上跑回來(lái)的時(shí)間就會(huì)發(fā)生些微的差異。我們就知道，空間確實(shí)在震動(dòng)。在LIGO中，科學(xué)家用同源的激光來(lái)充當(dāng)短跑運(yùn)動(dòng)員的角色，以試圖發(fā)現(xiàn)不同方向上空間的變化。

然而，要觀測(cè)的空間的變化并不是那么簡(jiǎn)單，震動(dòng)的幅度太小，同時(shí)還受到外界環(huán)境的干擾，使得觀測(cè)到有價(jià)值的數(shù)據(jù)非常困難。LIGO建成后，經(jīng)過(guò)數(shù)次升級(jí)，不斷提升靈敏度。在LIGO最終發(fā)表的這次觀測(cè)結(jié)果中，在十幾億光年外兩個(gè)分別為29倍太陽(yáng)質(zhì)量和36倍太陽(yáng)質(zhì)量的超恒星級(jí)黑洞合并，僅僅帶來(lái)了0.2秒的信號(hào)。而LIGO位于路易斯安那州的列文斯頓和華盛頓州的漢福德兩地同時(shí)觀測(cè)到這一信號(hào)后，經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證，在時(shí)隔4個(gè)月后，才發(fā)表這一結(jié)果。

對(duì)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，這0.2秒的輕輕的一震，比《美人魚》、《星球大戰(zhàn)》乃至人類史上所有的電影加起來(lái)都好看，因?yàn)樗N(yùn)含的劇情，是宇宙誕生的畫面。我們從小都被告知一個(gè)最著名的猜想——宇宙是在一場(chǎng)爆炸中誕生的。這意味著，在時(shí)空的開(kāi)始時(shí)，這張大蹦床有一次最劇烈的震動(dòng)。引力波就能讓我們還原這個(gè)震動(dòng)——它是否存在，有多大規(guī)模，諸如此類。

不過(guò)，目前看來(lái)，引力波能夠真正發(fā)揮作用的日子還很遠(yuǎn)?？上攵?，未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，全球科學(xué)界在引力波領(lǐng)域的科研力度和投資力度都有望增加，這也許會(huì)讓引力波與普通人的生活更快地聯(lián)系在一起。