石無(wú)魚(yú)

球面波和平面波

引力波是大質(zhì)量物體（如黑洞、白矮星等）運(yùn)動(dòng)、碰撞時(shí)產(chǎn)生的時(shí)空漣漪。大多數(shù)引力波都是球面波，就是說(shuō)，當(dāng)它們向外傳播的時(shí)候，就像球膨脹起來(lái)一樣，以一個(gè)點(diǎn)為中心，向四面八方均勻地傳播。引力波傳播越遠(yuǎn)，強(qiáng)度越小——譬如說(shuō)，兩顆白矮星碰撞，在碰撞點(diǎn)引力波本來(lái)是很強(qiáng)的，但傳到我們遙遠(yuǎn)的地球上，強(qiáng)度就衰減到僅能讓長(zhǎng)4千米的引力波探測(cè)器伸縮大約一個(gè)質(zhì)子直徑的千分之一了。

但是，引力波并非只能是球面波。當(dāng)高能物體或粒子以接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，理論上說(shuō)會(huì)產(chǎn)生一種不同類(lèi)型的引力波：平面波。平面波在生活中不太常見(jiàn)。潮汐就是近似平面波的一個(gè)例子。你看潮汐來(lái)的時(shí)候，在開(kāi)闊的海面上，一排排整齊的浪涌來(lái)又退去，這是一列列的平面波在運(yùn)動(dòng)。還有，你在池塘上扔下一塊石頭，圓形的水波蕩漾開(kāi)去，傳到遠(yuǎn)處，看起來(lái)幾乎就像平面波了。事實(shí)上，前幾年由美國(guó)激光干涉儀引力波天文臺(tái)（LIGO）探測(cè)到的引力波，傳到地球上，幾乎就可以看作是平面波了。

平面波的強(qiáng)度是不會(huì)隨距離衰減的，因?yàn)樗哪芰坎幌袂蛎娌菢影l(fā)散。就像牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律所說(shuō)的那樣，在不存在外力的情況下，運(yùn)動(dòng)的物體都會(huì)保持勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，平面波也是一樣。所以，如果不考慮障礙和吸收，平面波傳到任何地方都能保持一樣的強(qiáng)度。

平面引力波的“碰撞”

最近，美國(guó)的兩位理論物理學(xué)家考慮了這樣一個(gè)有趣的問(wèn)題：假如有兩列以平面波形式傳播的引力波面對(duì)面相遇，會(huì)發(fā)生什么事情？

他們做了電腦模擬。

他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩列波的強(qiáng)度較小時(shí)，它們會(huì)像一般的平面波一樣，在相遇時(shí)有的地方振幅變大，有的地方振幅變?。ㄟ@就是所謂“波的疊加”），等到相遇結(jié)束，兩列波將若無(wú)其事地繼續(xù)各自往遠(yuǎn)處傳播。

但是，如果這兩列引力波足夠強(qiáng)，事情就完全不同了：它們?cè)谙嘤霪B加的時(shí)候，如果疊加后的振幅大到一定程度，某個(gè)地方的時(shí)空彎曲得過(guò)于厲害，就會(huì)自動(dòng)蜷縮起來(lái)，坍塌成一個(gè)黑洞。黑洞形成后，將把波中85%的能量吞噬掉，剩下的15%中，一小部分能量在外圍繞著黑洞旋轉(zhuǎn)，其余能量則向外傳播。

其實(shí)，就一般的平面波而言，不論強(qiáng)度如何，它們?cè)谙嘤觯诎l(fā)生過(guò)波的疊加之后，都會(huì)若無(wú)其事地各自傳播——這也是波的“碰撞”不同于粒子的碰撞的特點(diǎn)。而引力波之所以在強(qiáng)度足夠大時(shí)，會(huì)有如此與眾不同的表現(xiàn)，是因?yàn)椋簩?duì)于別的波，時(shí)空只是它們運(yùn)動(dòng)的背景;而引力波，它們本身就是時(shí)空的波動(dòng)。

黑洞并不容易產(chǎn)生

2008年，當(dāng)歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)首次投入使用的時(shí)候，也有人曾在理論上預(yù)言，高能粒子相撞會(huì)形成微型黑洞，當(dāng)時(shí)還引發(fā)了一些人的恐慌?，F(xiàn)在看來(lái)，不管當(dāng)初提出的粒子相撞形成微型黑洞的機(jī)制是什么，對(duì)撞機(jī)將粒子束加速到接近光速，然后讓它們碰撞——這個(gè)過(guò)程是可以產(chǎn)生平面的引力波的。如果引力波足夠強(qiáng)，那么按最近這兩位美國(guó)物理學(xué)家的看法，就能產(chǎn)生微型黑洞。

不過(guò)，目前這些粒子束還沒(méi)有足夠的能量制造出一個(gè)形成黑洞的引力波，要做到這一點(diǎn)，需要建一個(gè)比太陽(yáng)系還大的粒子對(duì)撞機(jī)。不要說(shuō)地球上的對(duì)撞機(jī)不能，就是在全宇宙，目前也還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何東西能產(chǎn)生可以通過(guò)對(duì)撞形成黑洞的平面引力波。

所以美國(guó)的兩位理論物理學(xué)家提出的“引力波強(qiáng)度大時(shí)可以形成黑洞”理論，沒(méi)法驗(yàn)證，也只能停留在紙面上了。