誰(shuí)說(shuō)引力波發(fā)現(xiàn)意義不大

     初五就傳來(lái)一則科學(xué)界的重大新聞——首個(gè)位于地球之外13億光年的引力波源被人類直接探測(cè)到。全世界的物理學(xué)界都激動(dòng)得沸騰起來(lái)，可是過(guò)年中的中國(guó)人一片迷惘、冷淡，人們只管盯住眼前的利益感興趣，更有的人不屑一顧，竟然還有人寫(xiě)文“引力波被發(fā)現(xiàn)意義不大”，真是無(wú)知者無(wú)畏！

     該文我一看，原來(lái)是“因?yàn)闆](méi)有揭開(kāi)萬(wàn)有引力的本質(zhì)，引力波發(fā)現(xiàn)很難產(chǎn)生新的技術(shù)應(yīng)用。”這些人做夢(mèng)摸到肚臍眼都以為是一塊金幣。任何科技項(xiàng)目，只要眼前起不到實(shí)用效益，就不會(huì)被國(guó)人重視。而美國(guó)人為了探測(cè)到引力波信號(hào)，特別花上十多億美元，建立了一個(gè)“激光干涉引力波天文臺(tái)”（LIGO），該項(xiàng)目有超過(guò)1000名頂尖科學(xué)家參與其中，從1991年建設(shè)，2002年運(yùn)行至今，才獲得今天首個(gè)重要科學(xué)成果，傻不傻？

     閑話少說(shuō)，還是讓我們先搞懂什么叫引力波吧？我看過(guò)一些文章，都是太學(xué)術(shù)化了，讓人實(shí)在難以理解，因?yàn)樗麄內(nèi)绯疤鞎?shū)”一樣，看似嚴(yán)謹(jǐn)，沒(méi)有錯(cuò)誤，但似懂非懂，沒(méi)有自己理解的語(yǔ)言。

     什么叫引力波？

     對(duì)于“波”，我們并不陌生，生活中時(shí)常會(huì)聽(tīng)到水波、聲波、無(wú)線電波、電磁波、光波等等，引力波也就是波的一種。雖說(shuō)最初與牛頓蘋果的萬(wàn)有引力有關(guān)，引力只是人類最早定量認(rèn)識(shí)的相互作用。但真正認(rèn)識(shí)引力的精髓，還不在于因物體存在質(zhì)量才導(dǎo)致引力，而在于愛(ài)因斯坦提出了一種完全不同的對(duì)于引力的看法——引力是因?yàn)橘|(zhì)量對(duì)于宇宙時(shí)空造成了變形所導(dǎo)致，而非質(zhì)量之間的吸引力。這就意味著，我們對(duì)時(shí)空可被當(dāng)做一種可以變形的介質(zhì)來(lái)認(rèn)識(shí)。什么叫介質(zhì)？對(duì)波的傳播起決定作用的物質(zhì)叫介質(zhì)。

     那么什么叫時(shí)空？即時(shí)間與空間。我們常說(shuō)“星辰大?！保绻麑r(shí)空當(dāng)作為汪洋大海，海水就是能傳播的介質(zhì)，那么星球就如同海洋中的生物。可以想象，如果大海中的某條大魚(yú)搖搖尾巴，海水由此所產(chǎn)生的波動(dòng)就會(huì)向外傳播。與此類似，宇宙中某個(gè)星球劇烈的活動(dòng)、相互碰撞，會(huì)對(duì)所在的時(shí)空產(chǎn)生擾動(dòng)，時(shí)空自身的波動(dòng)也會(huì)向遠(yuǎn)處傳播，如果足夠強(qiáng)，就能夠?yàn)榈厍蛏系奈覀兯兄?/p>

     引力波與流體力學(xué)中的重力波很相似，當(dāng)液體表面或內(nèi)部液團(tuán)由于密度差異離開(kāi)原來(lái)位置，在重力和浮力的綜合作用下，液團(tuán)會(huì)處于上下振動(dòng)以達(dá)到平衡的狀態(tài)。即產(chǎn)生波動(dòng)，引力波也稱為重力波。引力波則是由于空間質(zhì)量和速度的變化導(dǎo)致空間產(chǎn)生的波動(dòng)。所以引力波簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是時(shí)空自身的波動(dòng)。相比較我們熟知的無(wú)線電波，它僅僅是在時(shí)空之中傳播，時(shí)空是它的媒介。所以理解引力波不是狹義理解為萬(wàn)有引力引起來(lái)的波，二者不屬于一種概念。

     那么這次引力波的發(fā)現(xiàn)，其重大意義在哪里？首先這次引力波被發(fā)現(xiàn)，所帶來(lái)的震撼意義：讓人類“親耳”聽(tīng)到了黑洞的存在！

     過(guò)去我們只聽(tīng)說(shuō)黑洞吞吃恒星，絕大多數(shù)的黑洞都是孤獨(dú)存在的天體，如同幽靈般，沒(méi)有任何輻射或者輻射及其微弱，所以很難被發(fā)現(xiàn)。但是這一次完全不一樣，兩個(gè)天體都是黑洞，互相繞轉(zhuǎn)，最后合并。雙黑洞的質(zhì)量分別為26和39太陽(yáng)質(zhì)量，屬于恒星級(jí)黑洞。雙黑洞合并中產(chǎn)生了非常強(qiáng)烈的時(shí)空振蕩，所以我們遙遠(yuǎn)的地球才觀測(cè)到了引力波。而且這還是距離地球13億光年之外的一場(chǎng)引力波風(fēng)暴，并以它的探測(cè)日期命名為 GW150914。

     這兩個(gè)質(zhì)量都比目前已知的恒星級(jí)黑洞要重許多。合并之后是62個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，是一個(gè)克爾黑洞（其自旋參數(shù)值為0.67）。對(duì)于黑洞的旋轉(zhuǎn)，天文學(xué)家用一個(gè)叫做“自旋參數(shù)”的量來(lái)表示（也叫“史瓦西黑洞”），合并的時(shí)間非常之短，僅僅在大約0.05秒的時(shí)間，就將3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量（大約6.0E30公斤）的能量就通過(guò)引力波的方式釋放出去，也就是說(shuō)在一秒鐘可以釋放出大約10^32公斤的能量。黑洞合并的最后釋放出比整個(gè)宇宙每秒鐘輻射出的電磁總能量還要高出3倍。這個(gè)黑洞主要顯示發(fā)射頻率在240Hz左右的引力波。

     什么叫黑洞？黑洞是由質(zhì)量足夠大的恒星在核聚變反應(yīng)的燃料耗盡而死亡后，發(fā)生引力坍縮產(chǎn)生的。黑洞的質(zhì)量極其巨大，而體積卻十分微小，它產(chǎn)生的引力場(chǎng)極為強(qiáng)勁，以至于任何物質(zhì)和輻射在進(jìn)入到黑洞的一個(gè)事件視界（臨界點(diǎn)）內(nèi)，便再無(wú)法逃脫，甚至目前已知的傳播速度最快的光（電磁波）也逃逸不出。

     黑洞的產(chǎn)生過(guò)程類似于中子星的產(chǎn)生過(guò)程：當(dāng)一顆恒星衰老時(shí)，它的熱核反應(yīng)已經(jīng)耗盡了中心的燃料，由中心產(chǎn)生的能量已經(jīng)不多了。這樣，它再也沒(méi)有足夠的力量來(lái)承擔(dān)起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開(kāi)始坍縮，在自身重力的作用下迅速地收縮，塌陷，發(fā)生強(qiáng)力爆炸。物質(zhì)將不可阻擋地向著中心點(diǎn)進(jìn)軍，直到最后被壓縮成體積接近無(wú)限小、密度幾乎無(wú)限大的一個(gè)密實(shí)的星體。而當(dāng)它的半徑一旦收縮到一定程度（一定小于史瓦西半徑），由于高質(zhì)量而產(chǎn)生的引力，使得任何靠近它的物體都會(huì)被它吸進(jìn)去。質(zhì)量導(dǎo)致的時(shí)空扭曲就使得即使光也無(wú)法向外射出——“黑洞”就誕生了。

     引力波的存在是挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的萬(wàn)有引力定律。引力波的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了，地球之所以繞著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)并不是什么力拉著地球，而是因?yàn)橘|(zhì)量特別大的太陽(yáng)是時(shí)空造成形變，時(shí)空彎曲著，使地球形成了以太陽(yáng)為中心運(yùn)動(dòng)的軌道。

     最后重大意義在于，人類從預(yù)言到探測(cè)，物理學(xué)家苦苦追尋等待引力波的到來(lái)已有一百年之久。為什么引力波這么難得一見(jiàn)？主要原因是，相比較其他的三種作用力（強(qiáng)力、弱力、電磁力），第四種“引力”是最弱的作用力，相應(yīng)的引力波效應(yīng)也就更弱了。由于這次雙黑洞的合并，產(chǎn)生了強(qiáng)大的引力輻射，才以讓輻射信號(hào)被探測(cè)到。引力波的探測(cè)，這將是一個(gè)不需要各種望遠(yuǎn)鏡的全新的天文學(xué)領(lǐng)域；是天文學(xué)的一次革命性的重大變化；它將引領(lǐng)我們打開(kāi)理解宇宙大爆炸、黑洞、中子星和其他難以采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行觀測(cè)到的天體類型的全新視野。

     2016.2.13

                           GW150914雙黑洞合并圖

                                碰撞的過(guò)程到的引力波探測(cè)