馮小寶

物理學(xué)的豐收月

回顧2017年科學(xué)界的大事件，引力波是必然要提到的超熱話題。整個10月，全世界媒體的目光都因?yàn)橐Σǘ杏谖锢韺W(xué)。

10月3日，諾貝爾物理學(xué)獎青睞引力波，頒給了與之相關(guān)的科學(xué)家：麻省理工學(xué)院雷納·韋斯、加州理工學(xué)院巴里·巴里什和基普·索恩因“為激光干涉引力波天文臺（LIGO）以及引力波的觀測作出決定性貢獻(xiàn)”而獲諾貝爾物理學(xué)獎。

10月16日，全球數(shù)十家著名天文機(jī)構(gòu)舉行新聞發(fā)布會，宣布人類第一次直接探測到來自雙中子星合并的引力波，并同時“看到”了這一宇宙事件發(fā)出的電磁信號。中國第一顆空間X射線天文衛(wèi)星——“慧眼HXMT”望遠(yuǎn)鏡也對此作出了貢獻(xiàn)。

這兩條大新聞都圍繞著引力波，科學(xué)界對此反應(yīng)熱烈，科學(xué)家歡欣鼓舞。但對非專業(yè)人士來說，恐怕根本分不清這兩條新聞有什么差別，只感覺似乎一夜之間所有媒體都在談?wù)撘Σ?。至于新聞里提到的其他名詞——黑洞、中子星……不是早就在物理學(xué)的相關(guān)書籍和新聞里出現(xiàn)過了嗎？為什么科學(xué)家和媒體還會如此激動？要明白這一點(diǎn)，我們必須回溯到牛頓的經(jīng)典物理學(xué)被顛覆的時刻，了解引力波理論的來源。

十分重要的證據(jù)

牛頓的經(jīng)典物理學(xué)清晰、嚴(yán)謹(jǐn)、優(yōu)美，我們在中學(xué)階段學(xué)習(xí)的大部分力學(xué)內(nèi)容，都屬于牛頓力學(xué)，其中萬有引力就是一個十分重要的知識點(diǎn)。在牛頓力學(xué)體系中描述的萬有引力，沒有時間的存在。在兩個有質(zhì)量的物體之間，萬有引力瞬時發(fā)生，傳遞不需要時間。但愛因斯坦的廣義相對論推翻了這一點(diǎn)，認(rèn)為引力的傳遞是需要時間的。一個有質(zhì)量的物體會彎曲時間與空間，這種彎曲向外傳播，導(dǎo)致另一個物體受力情況改變，這就產(chǎn)生了萬有引力。

引力源質(zhì)量改變，導(dǎo)致引力振蕩，就會形成引力波（想想物理課本中石子投在水中產(chǎn)生水波的例子），仿佛時空的漣漪。它以光速傳播。

現(xiàn)在你明白引力波為什么這么受重視了吧？因?yàn)樗且粋€極其重要的證據(jù)，能夠推翻一個原本被廣為接受的理論，證實(shí)一個新的理論。

或許對生活在21世紀(jì)的你來說，愛因斯坦已經(jīng)被捧上了神壇，牛頓力學(xué)什么的，不是早就被推翻了嗎？不不不，我們所看到的，只是科學(xué)爭論的結(jié)果。有一些證據(jù)被找到了，但還有更多的細(xì)節(jié)和證據(jù)，需要科學(xué)家在探索研究中去尋找、發(fā)現(xiàn)。引力波就是其中十分重要的一個，剛剛出爐，新鮮熱乎。

難度MAX的探測

2015年9月14日，LIGO探測到了兩個黑洞合并發(fā)出的引力波，這是人類第一次直接探測到引力波。此后，LIGO又在2015年12月26日、2017年1月4日和2017年8月14日探測到了引力波。

2016年2月12日，LIGO合作組宣布了2015年首次探測到引力波的消息，2017年，諾貝爾物理學(xué)獎就被頒給了相關(guān)科學(xué)家。這在這項(xiàng)大獎的歷史上十分少見，大多數(shù)獲獎?wù)咴诎l(fā)布成果后，等待了十幾年甚至幾十年，才獲得了諾貝爾獎評委會的肯定。只有少數(shù)幸運(yùn)兒（如楊振寧、李政道、賴爾等人），才像2017年的這三位獲獎?wù)咭粯?，很快受到青睞。

科學(xué)成果與獎項(xiàng)之間的時間延遲是十分正常的，因?yàn)楹芏喑晒枰?jīng)過時間的檢驗(yàn)。一些十分重要的科學(xué)理論，往往要經(jīng)歷很多爭論，有時候甚至因?yàn)闆]有驗(yàn)證它的條件，而無法很快獲得科學(xué)界的廣泛認(rèn)可。

引力波就是一個驗(yàn)證難度極大的對象，探測它的技術(shù)難度太大了。以2015年首次探測到的引力波為例：LIGO的干涉儀的臂長發(fā)生了4×10-18米的改變。

多信使的新時代

兩個黑洞，一個質(zhì)量相當(dāng)于36個太陽，另一個質(zhì)量相當(dāng)于29個太陽。這兩個黑洞合并后的黑洞，質(zhì)量相當(dāng)于62個太陽，于是就有相當(dāng)于3個太陽的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為引力波的能量。這么大能量的引力波，跨越13億光年，穿過LIGO的兩個探測器（一個位于美國華盛頓州漢福德，一個位于美國路易斯安那州利文斯頓），才讓它們的臂長有了這么一點(diǎn)點(diǎn)的改變，才讓人類能夠探測到。

如果說，探測到了引力波，是知道有兩個“大塊頭”在很遠(yuǎn)的地方發(fā)生了“火并”，那么關(guān)于這兩個“大塊頭”的詳細(xì)信息，我們就沒法知道了。我們對遠(yuǎn)距離天體的了解，往往來源于其發(fā)射的電磁波，而黑洞合并時幾乎不發(fā)射電磁波。2017年10月16日發(fā)布的大新聞，是說中子星的合并，不僅有LIGO在2017年8月14日探測到的引力波，還有伴隨著這次引力波發(fā)出的電磁波，它被全球多臺電磁望遠(yuǎn)鏡“看”到了。因此，很多新聞都說，這是人類第一次“看到”引力波。與黑洞合并不同，中子星合并不僅產(chǎn)生引力波，還會拋射出少量物質(zhì)，因此會發(fā)出多種電磁輻射。在這次觀測中，科學(xué)家找到了該合并事件中與引力波對應(yīng)的電磁輻射。

從此之后，我們可以用全新的手段去探索宇宙，引力波加入了電磁波、中微子等探測宇宙的隊(duì)伍，多信使天文學(xué)的時代來臨了！endprint