白话引力波：它为什么如此重要

模拟显示两个黑洞碰撞合并产生引力波。图片来源:加州理工学院LIGO网站

众所周知，宇宙中所有物质和能量之间都有引力。例如，地球上物体的重量是由地球引力引起的。虽然重力是人类公认的第一种基本力。然而，人们对它的理解不是很清楚。因此，物理学家仍然在理论和实验领域探索重力。

一个世纪前，爱因斯坦预言了引力波的存在。近一个世纪以来，科学家们只找到了它们存在的间接证据。美国华盛顿当地时间2016年2月11日，100年前的这一伟大预言终于得到了证实。当天上午，LIGO实验小组举行了一次新闻发布会，向世界宣布，13亿年前两个恒星黑洞合并产生的引力波首次被直接观测到。这是科学史上又一个划时代的发现。

那么，什么是引力波？为什么这么重要？

什么是引力波？

如果把重力比作海洋，引力波就是海洋中波浪的搅动。

在我们了解引力波之前，让我们先谈谈什么是重力。

引力是万有引力，也称为引力相互作用。它指的是有质量的物体相互加速的趋势。简单地说，它是物体之间的吸引力。它是自然界四种基本作用力之一，也是自然界最常见的作用力。可以说它无处不在。

中国科技大学物理学院教授蔡义夫解释说，在经典力学中，万有引力被认为是物体与质量之间的相互作用。然而，在爱因斯坦的广义相对论中，万有引力是由质量向空间和时间的弯曲引起的。“广义相对论认为物质的质量会弯曲时间和空间。例如，当一个人坐在沙发上时，沙发原本平坦的表面会立即向下凹陷并形成一个坑，而先前放在沙发周围的物体会倾向于向坑的中间滑动，从而产生万有引力。”

“太空也是如此。例如，如果像太阳、地球、恒星和黑洞这样的巨大天体被放置在时空中，时空将形成一条“垂度曲线”，从而产生万有引力。”麻省理工学院物理系的研究员苏萌说。

因此，在爱因斯坦的广义相对论看来，重力相当于弯曲的时空。引力波是在弯曲时空的大背景下，由质量物体加速运动引起的扰动像波纹一样向外传播的波。"如果把重力比作海洋，引力波就是海洋中波浪的搅动."蔡义夫说。

蔡义夫以蹦床为例进一步说明，“如果一个运动员站在蹦床上，他所站的位置会形成一个凹陷，这就是我们所说的弯曲。如果运动员还在那里，弯曲就像一个弯曲的钢尺，在那里被拉紧。这种张力实际上是在储存能量。如果他稍微动一下，然后跳起来，蹦床就会把他弹起来了。为什么会反弹？这是因为先前储存的能量被释放了。这种释放不仅把人弹射到空中，而且还把蹦床的表面从开始时紧绷的静止状态变成反复上下滚动的折叠状态。摺叠起来、向下卷起并展开，可以理解为波的传播，也就是引力波的产生。”

蔡义夫说，如果把空间比作蹦床，把黑洞比作蹦床运动员，如果它在大蹦床上通过碰撞和组合弹起，就会释放出以前储存的巨大能量，扰乱周围的空间和时间，引起起伏和震动，这些能量将以引力波的形式传递。波动越大，波动越大，引力波越强。

为什么引力波难以探测？

宇宙中爆炸事件产生的引力波相对容易探测，如黑洞合并、星系合并、超新星爆炸等。

当爱因斯坦在100年前预测引力波的存在时，他说:“这些值是如此之小，以至于它们不会对任何东西产生重大影响。没有人能衡量它们。”

事实是重力无处不在，但它是我们所知的物理世界中最弱的力。尽管它的许多行为与电磁波相似，但探测到它的波动性比爬上天空更困难。

事实上，在我们的日常生活中有无数的引力波。我们的身体每天都被引力波穿透，因为任何有质量的物体在加速时都会产生引力波，但这些日常引力波太弱，无法测试，更不用说感觉了。

蔡义夫说:“例如，我们都知道太阳每天都照在地球上，所以我们能感觉到太阳。阳光从太阳开始照射到我们身上。那么，传播的过程是什么？是电磁波的传播。万有引力也是如此。当太阳给我们阳光时，它也给我们重力辐射。这个过程就是引力波的传播。这种引力效应也是从太阳开始的，但我们看不见也感觉不到。”

既然引力波如此微弱，人类怎么能探测到它们呢？

“可以去探测强引力波。引力波的强度与天体的质量和运动强度有关。天体的质量越大，运动越强烈，产生的引力波就越强。就像蹦床运动员一样，如果他更重，弹跳得越高，释放的能量就越多，导致蹦床表面的波动越大。因此，宇宙中爆炸事件产生的引力波相对容易探测，如黑洞合并、星系合并、超新星爆炸等。”苏梦说道。

科学家还说，即使是宇宙中这种天体爆炸事件产生的强大引力波也极难探测，这就对仪器和人员提出了很高的要求。

你为什么这么说？蔡义夫解释道:“时间越早，距离越远，它在宇宙中传播的红移就越多。红移指的是宇宙本身的膨胀使所有波动的波长变直变平，因此它的波动性很难被察觉。例如，LIGO这次探测到的引力波是13亿年前由大约30个太阳质量的两个黑洞合并产生的引力波。振幅小到原子核大小的千分之一。发现它真的不容易。LIGO实验小组的科学家们在过去几十年里也经历了许多挫折，在最终发现它之前，不断地调整方案和改进仪器。”

探测引力波有什么用？

引力波携带的信息与电磁波完全不同，它将为我们揭示宇宙的新秘密，甚至揭示宇宙起源的秘密。

一旦由于天体的碰撞或爆炸在宇宙的某个地方产生了引力波，时空的“冲击”将在宇宙中以光速传播。如果你离地球足够近，你可以用引力波天线接收这些信号。就像地球上不时会发生地震一样，只要我们有一台好的地震仪，我们就能探测到这些微小的震动。”苏梦说道。

根据苏萌的观点，引力波可以分为四种类型，并根据它们的来源以不同的频率分布。科学家已经为不同的频率设计了不同的检测方法。例如，LIGO实验小组这次探测到的黑洞引力波属于高频带，探测手段是离地面几公里的激光干涉装置。

在这四种引力波中，初级引力波的频率最低，目前还没有观测到。它的波长大约与整个宇宙的尺度相同。它不同于天体运动和演化形成的引力波，而是来自早期宇宙，是在大爆炸期间时空剧烈“膨胀”的过程中产生的。对原始引力波的探测需要观测大爆炸后的微波背景辐射(宇宙微波背景辐射是宇宙诞生后38万年遗留下来的电磁波)。一旦被发现，它对基础物理学来说就更有意义了。

那么，探测引力波有什么用？

科学家普遍认为，LIGO的这一发现是爱因斯坦相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”，证实了爱因斯坦广义相对论的正确性。

“自从引力波存在以来，基于引力波的研究思想的可信度已经大大提高。就像走在未知的路上。如果有人怀疑这是错误的，结果证明这是正确的，那么速度可以加快。”苏梦说道。

苏梦说，从科学上讲，引力波的发现为我们研究宇宙打开了一扇新的窗户。无线电、光学、伽马射线和其他电磁波谱通过光子携带的信息研究宇宙。引力波携带的信息与电磁波完全不同，它将揭示宇宙的新秘密，例如黑洞与黑洞融合的物理过程。如果我们能探测到大爆炸期间发射的初级引力波，它将揭示宇宙起源的秘密。

“就像人类过去认为自己只有一双能看到外部世界的眼睛(电磁波探测)，但现在他们发现自己有一双能听到外部世界的耳朵(引力波探测)。”中国科学院高能研究所的研究员张新民说。

引力波的发现将如何影响普通人的生活？科学家们说，一项新的重大科学发现总是会给人类社会带来不可预测的发展。当麦克斯韦描述电磁波的理论在18世纪被证实时，没有人知道它会给人类带来什么，但是现在不管是电视还是手机，它都与电磁现象有关。

中国会怎么做？

“太极计划”和“秦天计划”将去太空探测引力波。“阿里实验计划”的目标是探测地面上的初级引力波。

LIGO的发现使中国科学家期待在中国研究引力波。

作为“阿里实验计划”的负责人，张新民认为中国是一个大国，这个领域不能空白。"我们必须密切关注创新而不是跟踪，并做出我们应有的贡献."

事实上，早在20世纪70年代，中国科学家就开始研究引力波。然而，由于各种原因，他们停滞了十多年，造成了人才缺口。直到2008年，在仍在中国科学院力学研究所国家微重力实验室工作的胡文瑞院士的推动下，中国的引力波研究才重新开始。

张新民说，目前中国的引力波研究有两个主要方向。一个是中国科学院刚刚提出的“太极计划”，一个是中山大学领导的“秦天计划”。两个计划都是探索太空中的引力波。第二个是由中国科学院高能物理研究所领导的“阿里实验计划”，旨在探测地面上的初级引力波。这是两个完全不同的研究方向和科学目标。

中国科学院高能物理研究所副研究员李红说:“原始引力波太弱，所以我们应该选择干扰尽可能小的区域。例如，它应该具有诸如高海拔、稀薄大气和低水蒸气含量等因素。目前，科学家们已经选出了世界上四个最好的观测点，即南极洲、智利的阿塔卡马沙漠、格陵兰岛和中国的*阿里。”

据报道，中国科学院国家天文台在阿里建立的观测站位于阿里地区狮泉河镇以南约20公里处海拔5100米的山脊上，可以说是北半球最好的观测站。

张新民说:“阿里项目成本低，周期短。预计它将在5年内产生结果。”

“太极计划”的理念之一是在2030年前后发射三颗卫星，形成引力波探测星群，利用激光干涉法直接探测中低频带的引力波。目标是观察由双黑洞合并和质量比最大的天体合并产生的引力波辐射，以及其他宇宙引力波辐射过程。“秦天计划”将分四个阶段实施，历时约20年，投资约150亿元。

“如果引力波是一部宇宙交响曲，那么LIGO的成就只是一个前奏，但主要的运动仍在太空探索领域，并将回答更重要的学术问题。”“太极计划”首席科学家胡文瑞说。