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 引力波的神秘光環(huán)

國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)理學(xué)院  鐘鳴

本文由作者授權(quán)發(fā)布

13億年前，宇宙深處，一顆36倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞和一顆29倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞相互吸引、纏繞、旋轉(zhuǎn)，象一對(duì)優(yōu)雅的舞者，熱情奔放地跳著探戈。在舞蹈中，它們不斷地向外輻射能量，越走越近，越轉(zhuǎn)越快。最后，一霎那間，它們激烈碰撞并結(jié)合在一起，成為一個(gè)62倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。損失掉的3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的能量主要以引力波的形式向茫茫無(wú)際的宇宙輻射，其中的極小部分于北京時(shí)間2015年9月14日抵達(dá)地球，列隊(duì)通過(guò)美國(guó)的激光干涉引力波觀測(cè)平臺(tái)(LIGO)。引力波會(huì)引起它通過(guò)的空間振動(dòng)而伸縮，就象小球輕輕撞擊彈簧一樣。引力波的這個(gè)持續(xù)時(shí)間0.2秒的小動(dòng)作正好被拿著激光干涉“望遠(yuǎn)鏡”準(zhǔn)備“檢閱”它們的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)。

至此，科學(xué)家們已經(jīng)翹首期盼了它一個(gè)世紀(jì)。1915年11月，愛(ài)因斯坦初步建立了廣義相對(duì)論，用四維時(shí)空的曲率來(lái)描述引力。他的引力場(chǎng)方程將時(shí)空的曲率與物質(zhì)的能量和動(dòng)量聯(lián)系起來(lái)。1916年6月他對(duì)引力場(chǎng)方程進(jìn)行了近似的計(jì)算第一次預(yù)言了引力波的存在，認(rèn)為聚集成團(tuán)的物質(zhì)的形狀或速度突然改變時(shí)，會(huì)改變附近的時(shí)空狀態(tài)，效應(yīng)就像漣漪以光速在宇宙這個(gè)“大海”里傳播。廣義相對(duì)論的其它預(yù)言如水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)、引力場(chǎng)中的光線(xiàn)偏折、引力鐘慢、引力紅移和拖拽效應(yīng)都相繼被證實(shí)，唯獨(dú)引力波，一直頑皮地游走于人類(lèi)的直接探測(cè)之外。

基于對(duì)物理理論的深刻認(rèn)識(shí)，一直以來(lái)物理學(xué)家對(duì)引力波的存在是深信不疑的。只是因?yàn)橛钪嬷械囊Σㄌ趿?，很難被直接探測(cè)到。近百年來(lái)科學(xué)家做了很多努力和嘗試，都沒(méi)有成功。

到目前為止，人類(lèi)探測(cè)到的自然界中的基本相互作用力有四種：引力、電磁力、弱力和強(qiáng)力。強(qiáng)和弱相互作用都是短程力，只對(duì)微觀世界的粒子起作用。引力和電磁力都是長(zhǎng)程力，能夠作用于宏觀物體。四種相互作用中，引力的強(qiáng)度最弱，以無(wú)量綱的耦合常數(shù)來(lái)表示，它比電磁作用至少要小35個(gè)數(shù)量級(jí)。

    加速運(yùn)動(dòng)的電荷產(chǎn)生電磁波，與此相似，加速運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量輻射引力波。電磁波和引力波都很容易在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生，但是引力波的強(qiáng)度會(huì)比電磁波的弱很多。這不僅僅是由于引力相互作用的強(qiáng)度比電磁的弱很多，還因?yàn)殡姶挪ê鸵Σǖ漠a(chǎn)生機(jī)制有所不同。電磁波可以通過(guò)電荷的偶極震蕩產(chǎn)生，而引力波必須通過(guò)物質(zhì)的能量四極矩的加速變化產(chǎn)生，這樣的產(chǎn)生機(jī)制更是大大壓低了引力波的強(qiáng)度。舉例來(lái)說(shuō)，我們?cè)诘厍蛏厦科椒矫啄芙邮盏教?yáng)輻射電磁波的平均功率大約為1300瓦。而地球和太陽(yáng)組成的一個(gè)兩體轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)輻射的引力波，總功率才大約200瓦。這基本上就是照亮一個(gè)房間的電燈泡的功率！區(qū)區(qū)200瓦功率的引力波散發(fā)到太陽(yáng)地球系統(tǒng)這樣的一個(gè)大空間中，我們?cè)谄渲械囊稽c(diǎn)上探測(cè)引力波的難度比大海撈針大多了。此外，對(duì)引力波和電磁波的探測(cè)，是要分別利用探測(cè)器上產(chǎn)生的引力和電磁相互作用效應(yīng)，對(duì)引力波的探測(cè)效率遠(yuǎn)低于對(duì)電磁波的。所以不僅是大海撈針，而且是拿著眼很大的網(wǎng)在大海里撈針！ 

普通物體，甚至太陽(yáng)系中的天體產(chǎn)生的引力波都很弱，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人類(lèi)目前的探測(cè)能力?？茖W(xué)家們便把目光轉(zhuǎn)向宇宙中諸如黑矮星、中子星、黑洞等大質(zhì)量致密天體的激烈運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)引力波。撈這些大針總比小針容易吧！

就算是撈“大針”，對(duì)網(wǎng)也是有嚴(yán)格要求的。根據(jù)廣義相對(duì)論的計(jì)算，這些巨大天體激烈運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的“強(qiáng)”引力波會(huì)引起它穿越空間的尺度發(fā)生微小變化，1000米距離大約有10^-18米的變化。探測(cè)器必須滿(mǎn)足這樣的精確度和靈敏度要求才能捕捉到引力波信號(hào)。LIGO是目前最先進(jìn)的引力波探測(cè)器，它主要由安放于美國(guó)境內(nèi)的兩套相隔約三千公里的激光干涉儀組成。每套干涉儀有兩個(gè)互相垂直的長(zhǎng)4000米的臂，臂內(nèi)真空度很高?？茖W(xué)家們讓兩束激光在長(zhǎng)臂中來(lái)來(lái)回回地跑280次以有效增加光的傳播距離后再互相干涉形成干涉條紋。引力波通過(guò)時(shí)，引起空間變形，兩束光的路程差發(fā)生大約10^-15米變化，激光干涉條紋就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，由此可以讀出引力波信號(hào)。這次LIGO測(cè)到的引力波來(lái)源于雙黑洞融合瞬間噴發(fā)的最強(qiáng)部分，只測(cè)到0.2秒的信號(hào)。用萬(wàn)幸來(lái)形容并不為過(guò)，因?yàn)椴钜稽c(diǎn)就失之交臂了。

引力波的發(fā)現(xiàn)不僅是對(duì)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論一次意義非凡的直接驗(yàn)證，是廣義相對(duì)論百年華誕的最好獻(xiàn)禮。這一劃時(shí)代事件本身也是人類(lèi)文明進(jìn)程史上的一個(gè)里程碑。LIGO實(shí)驗(yàn)使得長(zhǎng)度測(cè)量的精度達(dá)到了10^-18m，是原子核尺度的一千分之一，這是一個(gè)新記錄。LIGO是一個(gè)大型精密實(shí)驗(yàn)裝置，它的建造集成了人類(lèi)方方面面的科技成果，表明了人類(lèi)科學(xué)技術(shù)的巨大進(jìn)步。

在學(xué)科發(fā)展上，引力波的成功探測(cè)為人類(lèi)研究和探索致密天體及宇宙的演化規(guī)律開(kāi)辟了新途徑。人們認(rèn)為引力波的發(fā)現(xiàn)對(duì)天文學(xué)發(fā)展的意義不亞于400年前伽利略首次用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)夜空。幾百年來(lái)，人類(lèi)主要依靠探測(cè)和分析來(lái)自宇宙深處的電磁波、宇宙射線(xiàn)和中微子信號(hào)來(lái)研究天文學(xué)?，F(xiàn)在觀測(cè)到了引力波，多了一種探測(cè)方法，科學(xué)家可以通過(guò)它來(lái)進(jìn)一步探索和理解宇宙的物理演化過(guò)程。目前的常規(guī)望遠(yuǎn)鏡和探測(cè)器還存在一些探測(cè)死角和盲區(qū)，象黑洞的視界、超新星的最深處以及中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等致密天體的信息只能通過(guò)探測(cè)來(lái)自這些星體的引力波得到。LIGO探測(cè)到的引力波就表明了存在太陽(yáng)質(zhì)量級(jí)別的雙黑洞系統(tǒng)，是人類(lèi)第一次探測(cè)到雙黑洞合并現(xiàn)象。常規(guī)的探測(cè)途徑也無(wú)法獲得宇宙起源的信息，因?yàn)殡姶挪?、宇宙射線(xiàn)和中微子要在宇宙大爆炸之后一段時(shí)間才能產(chǎn)生。而根據(jù)現(xiàn)在公認(rèn)的宇宙起源模型，宇宙大爆炸時(shí)會(huì)發(fā)生宇宙時(shí)空劇烈的暴脹過(guò)程，時(shí)空的劇烈擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)引力波的背景信號(hào)。這種強(qiáng)的原初引力波，有可能在不久的將來(lái)被人類(lèi)探測(cè)到，為人類(lèi)探索宇宙的起源和演化提供一個(gè)有效的觀測(cè)手段。

毫無(wú)疑問(wèn)，引力波的發(fā)現(xiàn)宣告了一個(gè)科學(xué)時(shí)代的開(kāi)啟，這是它的學(xué)術(shù)身價(jià)。但是它的技術(shù)應(yīng)用價(jià)值怎樣呢？在科幻小說(shuō)和電影里，人們經(jīng)?？梢钥吹疥P(guān)于引力波的各種令人腦洞大開(kāi)、耳目一新的裝備，引力波通信、引力波天線(xiàn)、引力波雷達(dá)、引力波探測(cè)和成像、引力波反重力武器、引力波推動(dòng)飛船等描寫(xiě)屢見(jiàn)不鮮。象這些關(guān)于引力波通信、探測(cè)和能量傳輸?shù)确矫娴拿鑼?xiě)實(shí)際上都可以在日常生活中找得到電磁波的應(yīng)用原型，只不過(guò)基于引力波的技術(shù)和裝備威力更強(qiáng)大。誠(chéng)然，和電磁波相比，由于引力相互作用很弱，引力波在傳播過(guò)程中幾乎不受外界的干擾，因此具有超強(qiáng)的穿透性，可以輕易穿越中間媒介物體的阻擋，在通信、探測(cè)和能量傳輸?shù)确矫婢哂须姶挪ú豢杀葦M的優(yōu)勢(shì)。除此之外，引力波還有自己的獨(dú)特能耐，它可以扭曲它經(jīng)過(guò)的時(shí)空。對(duì)引力波這個(gè)性質(zhì)的應(yīng)用設(shè)想更是可以放飛想象大膽展望。比如，人類(lèi)可以通過(guò)向飛行器發(fā)送引力波，改變飛行器上的時(shí)空尺度和性質(zhì)，干擾飛行器的定位和導(dǎo)航，使其迷航。人類(lèi)甚至可以利用引力波來(lái)建造“時(shí)空迷宮”。進(jìn)入“時(shí)空迷宮”中的任何物體會(huì)自覺(jué)地沿著被引力波扭曲的空間軌道運(yùn)動(dòng)，它的落點(diǎn)完全受引力波的控制。不管是子彈、炮彈、導(dǎo)彈還是激光，引力波都可以扭曲它們的運(yùn)動(dòng)路徑導(dǎo)致它們跑偏，甚至讓它們“調(diào)轉(zhuǎn)槍口”，讓敵人搬起石頭砸自己的腳。引力波的獨(dú)特性質(zhì)以及關(guān)于它的這些奇思妙想很容易撩動(dòng)人們的熱情，一些國(guó)家開(kāi)始關(guān)注它的技術(shù)應(yīng)用，特別是在軍事上的應(yīng)用前景。

    美國(guó)國(guó)防情報(bào)局早在2008年就對(duì)難以捉摸的引力波是否可能被別國(guó)利用從而給美國(guó)的國(guó)家安全帶來(lái)威脅開(kāi)展過(guò)調(diào)查。美國(guó)的一家公司還給國(guó)防情報(bào)局提交過(guò)一份項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū)，希望該局資助公司通過(guò)利用強(qiáng)磁場(chǎng)將電磁波轉(zhuǎn)變成強(qiáng)引力波的研究。國(guó)防情報(bào)局要求賈森國(guó)防顧問(wèn)團(tuán)確定是否可以利用這種高頻引力波給地球中心繪制圖像，或者利用它進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊。賈森國(guó)防顧問(wèn)團(tuán)的成員有不少是國(guó)際一流的理論物理學(xué)家，他們經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撚?jì)算，撰寫(xiě)了一份40頁(yè)的報(bào)告。報(bào)告認(rèn)為這種產(chǎn)生引力波的方法效率非常低，毫無(wú)現(xiàn)實(shí)意義。地球上的所有發(fā)電站同時(shí)開(kāi)機(jī)運(yùn)行100億年時(shí)間，才能用這種方法產(chǎn)生一個(gè)僅有一百萬(wàn)分之一焦耳能量的引力波。讓一艘引力波驅(qū)動(dòng)的飛船獲得略大于地球的重力加速度以逃離地球，用這種方法產(chǎn)生引力波所需要的電流是現(xiàn)在全世界總電流輸出量的25個(gè)數(shù)量級(jí)。

看來(lái)，雖然對(duì)引力波應(yīng)用的設(shè)想很誘人，但是它的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用是不樂(lè)觀的。要利用引力波，我們首先要有可以利用的引力波源。人類(lèi)目前可以輕易產(chǎn)生引力波，不過(guò)太弱了，離可以被應(yīng)用相差甚遠(yuǎn)。按照現(xiàn)有的被證實(shí)了的引力理論和技術(shù)水平，人類(lèi)根本無(wú)法產(chǎn)生足夠強(qiáng)的、可以被加工和探測(cè)的引力波，更不用說(shuō)應(yīng)用它去服務(wù)人類(lèi)了。既然經(jīng)常有來(lái)自宇宙深處的強(qiáng)引力波光臨地球，我們能不能收集、儲(chǔ)存、控制和加工這些引力波，作為人類(lèi)的引力波源呢？對(duì)于電磁波，這樣的技術(shù)是比較簡(jiǎn)單和成熟的，比如剛才提到的LIGO實(shí)驗(yàn)，激光在長(zhǎng)臂中來(lái)來(lái)回回地跑280次，就是一種電磁波的儲(chǔ)存技術(shù)。但是對(duì)于引力波，這樣的操作難度很大，因?yàn)橐Σǖ拇┩感院軓?qiáng)，很難找得到關(guān)住它的“籠子”。

不過(guò)，我們也用不著對(duì)引力波的應(yīng)用操之過(guò)急。我們畢竟才剛剛發(fā)現(xiàn)它，對(duì)它還很不了解，當(dāng)然很難預(yù)料得到它到底有什么用處。就算是電磁波，在1887年被發(fā)現(xiàn)后，它的發(fā)現(xiàn)者赫茲也不認(rèn)為他發(fā)現(xiàn)的無(wú)線(xiàn)電磁波會(huì)有任何實(shí)際用途。但是在隨后的一個(gè)多世紀(jì)里，電磁波的各種應(yīng)用技術(shù)相繼被發(fā)明和創(chuàng)造，將人類(lèi)文明進(jìn)程顯著推進(jìn)。可能引力波的應(yīng)用也要經(jīng)歷一個(gè)比較漫長(zhǎng)的過(guò)程?，F(xiàn)在，我們能做的就是對(duì)它進(jìn)行基礎(chǔ)研究，全面了解它的性質(zhì)。它的技術(shù)應(yīng)用應(yīng)該是水到渠成、瓜熟蒂落的事情。

理論上，對(duì)引力的研究需要進(jìn)一步的深入和突破。在四種基本相互作用中，引力是人類(lèi)最早開(kāi)始認(rèn)識(shí)的，但也是到目前為止最不清楚的一種相互作用。愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論用四維時(shí)空的曲率來(lái)描述引力，它簡(jiǎn)單而深刻的物理內(nèi)涵和優(yōu)美的數(shù)學(xué)表述形式使它成為現(xiàn)代物理學(xué)的審美標(biāo)桿。隨著引力波被發(fā)現(xiàn)，它的所有預(yù)言均被證實(shí)了。但是廣義相對(duì)論是無(wú)法自洽地被量子化的，它和量子力學(xué)之間存在格格不入的結(jié)構(gòu)性矛盾。量子力學(xué)是描述微觀物理世界的必要理論工具，其他三種基本相互作用都在量子場(chǎng)論的理論框架內(nèi)成功量子化。廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的不協(xié)調(diào)意味著在物理學(xué)的核心處存在著深刻的矛盾。不少理論物理學(xué)家認(rèn)為廣義相對(duì)論可能只是引力的一個(gè)近似理論，它能成功地描述宏觀的引力現(xiàn)象，但是對(duì)于微觀現(xiàn)象的描述可能還缺少一些重要的元素，正是這些重要元素的缺失使得它的量子化進(jìn)程受阻。目前國(guó)際學(xué)術(shù)界有幾種引力的量子化方案，其中比較有影響力的是弦理論。弦理論有一種模型認(rèn)為通過(guò)弦的振動(dòng)可以產(chǎn)生引力波，它的計(jì)算結(jié)果表明人類(lèi)能夠在地球上制造出強(qiáng)引力波。不過(guò)，弦理論目前還沒(méi)有任何的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，還完全停留在理論猜想和數(shù)學(xué)表述環(huán)節(jié)。

實(shí)驗(yàn)上，不僅僅是美國(guó)，歐洲、印度、日本和中國(guó)等國(guó)都很關(guān)注引力波的探測(cè)工作，都有投入巨資開(kāi)展引力波實(shí)驗(yàn)探測(cè)研究的意愿和計(jì)劃。我國(guó)主要有三個(gè)大型引力波探測(cè)計(jì)劃，現(xiàn)在都還在預(yù)研階段。其中兩個(gè)是太空探測(cè)項(xiàng)目，一個(gè)是地面探測(cè)項(xiàng)目。兩個(gè)太空探測(cè)項(xiàng)目分別是由中國(guó)科學(xué)院牽頭組織的“太極計(jì)劃”和中山大學(xué)領(lǐng)銜的“天琴計(jì)劃”，均準(zhǔn)備于2030年前后發(fā)射由位于等邊三角形頂端三顆衛(wèi)星組成的引力波探測(cè)星組，用激光干涉方法進(jìn)行引力波的直接探測(cè)。“太極計(jì)劃”的主要科學(xué)目標(biāo)是觀測(cè)雙黑洞并合和極大質(zhì)量比天體并合時(shí)產(chǎn)生的中低頻波段引力波輻射，以及其它的宇宙引力波輻射過(guò)程?！?/span>天琴計(jì)劃”主要探測(cè)的是低頻段連續(xù)型引力波。地面項(xiàng)目是由中國(guó)科學(xué)院主導(dǎo)的“阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”，打算在西藏阿里地區(qū)放置一個(gè)小型但具有大視場(chǎng)的射電望遠(yuǎn)鏡，從地面上聆聽(tīng)宇宙大爆炸發(fā)出的原初引力波的低頻音符。這些引力波的探測(cè)計(jì)劃涉及學(xué)科領(lǐng)域和前端技術(shù)廣泛，包括物理學(xué)、天文學(xué)、宇宙學(xué)、天體物理、空間科學(xué)、光學(xué)等學(xué)科，以及精密測(cè)量、真空技術(shù)、潔凈技術(shù)、航天技術(shù)、導(dǎo)航與制導(dǎo)、飛行器與軌道設(shè)計(jì)等先進(jìn)技術(shù)。在建造空間大型科學(xué)探測(cè)裝置的過(guò)程中需要發(fā)展空間的超遠(yuǎn)距離超高精度激光測(cè)量、超高靈敏度慣性傳感器，以及超高精度衛(wèi)星無(wú)拖曳控制等下一代高端空間技術(shù)，這些技術(shù)對(duì)于提升我國(guó)空間科學(xué)和深空探測(cè)的技術(shù)水平具有重要意義，對(duì)慣性導(dǎo)航、地球科學(xué)、高精度衛(wèi)星平臺(tái)建設(shè)等應(yīng)用領(lǐng)域也將發(fā)揮積極的作用，一旦攻克，可廣泛用于經(jīng)濟(jì)和國(guó)防。

每一次基礎(chǔ)科學(xué)的重大突破，都會(huì)轟轟烈烈地引起人類(lèi)社會(huì)的一系列科技革命，改變?nèi)祟?lèi)的生產(chǎn)和生活模式，也會(huì)引發(fā)軍事變革，改變?nèi)祟?lèi)戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)。站在復(fù)雜電磁環(huán)境中的人類(lèi)很難想象出未來(lái)復(fù)雜引力環(huán)境中的人類(lèi)文明。引力波將會(huì)如何改變?nèi)祟?lèi)的生活、生產(chǎn)以及戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)？對(duì)這個(gè)問(wèn)題的求解才剛剛開(kāi)始。在求解的過(guò)程中，人類(lèi)會(huì)不斷地革新技術(shù)水平、提升認(rèn)識(shí)能力、增加知識(shí)積累、拓展認(rèn)知疆域、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步。當(dāng)人類(lèi)找到問(wèn)題答案后，文明進(jìn)程將會(huì)急劇加速，質(zhì)的飛躍將會(huì)飄然而至。