烟涛微茫信难求中的信 [烟涛微茫信难求]
时间：2020-02-19 07:19:01 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
据传说，在300多年以前，正是当这位科学家在家乡伍尔斯索蒲村的果园中散步时，一只成熟掉落的苹果触发了他的灵感，提出了万有引力定律，从而使人们意识到，宇宙万物之间都存在万有引力，同时也带给人类探索和理解宇宙间规则的信心。如今，这只下落的苹果甚至已经成为引力的代名词。
直到1916年，阿尔伯特・爱因斯坦发表了广义相对论，这个理论再一次改变了人们对于引力的认识。根据广义相对论的描述，引力是因为物体的质量使周围的时空发生扭曲而产生的。而根据广义相对论的预言，一只苹果在下落的时候，因为其质量在时空中的移动，它会产生出一种波，从而使它周围的时空发生极为微小的褶皱，这就是科学家们寻找了几十年而至今仍然没有探测到的引力波（Gravitational Wave）。
广义相对论所预言的引力波与我们通常所理解的“波”在形式上并没有太大的不同，它也有振幅和频率；和真空中的电磁波一样，它也是以光速传播；物体的质量发生改变或是在时空中移动时就会以引力波的形式向外辐射出能量。与电磁波或是其他形式的波以时空为媒介进行传播不同，引力波所传播的，正是时空本身。如同平静水面上细微水纹的扩散，引力波所到之处，也会引发出时空的阵阵涟漪，同时，类似于电磁波的红移，引力波的能量也会随着传播而衰减，频率也会随之变小。随着广义相对论在各个领域上取得的成功，它的各种预言都逐渐被科学家们所证实。现在已经没有太多人怀疑引力波的存在，但是由于相对于电磁力，引力极端微弱，因此引力波所产生的影响也就极其难于探测，即使科学家们花费大量的金钱和精力，历时几十年用来侦测引力波，至今也没有找到它存在的直接证据。
除了为证明广义相对论最终正确，引力波探测也可以帮助我们更清晰地理解宇宙。现代宇宙学为我们描画出了一个扁平的、正在加速扩张的宇宙，可是真正主宰宇宙的却是我们目前一无所知的暗能量和暗物质，它们占有了宇宙中大部分的质量，同时也是宇宙加速扩张的驱动力。它们究竟来自哪里？它们究竟是些什么东西？想要弄清楚这些问题，我们恐怕就需要回到宇宙的开端，从大爆炸的初始开始寻找。但是大爆炸之初的具体状况，我们现在也不清楚，引力波之中也许就包含着宇宙创生的细节。与电磁波不同，引力波传播的是时空自身的激荡。根据广义相对论的预测，引力波与物质之间的相互作用非常微弱，因此整个宇宙对于引力波来说几乎透明，不会像电磁波一样在宇宙空间内被发散或是吸收。如果可探测到引力波，它就会给宇宙学家们描绘出一个更好的关于宇宙的画面。如果说宇宙中的电磁辐射是一幅浓墨重彩的油画，那么引力波对于宇宙学家来说则更像是一幅精致的细密画，有着更多的宇宙的细节。
在理论上，宇宙大爆炸所产生的引力波由于宇宙暴涨和其后的膨胀，至今仍然弥漫在宇宙空间，甚至宇宙的加速膨胀也会产生引力波，它与宇宙背景辐射（CMB）混杂在一起，让人们难于辨认。宇宙最深的秘密可能就隐藏在这极难于探测的原始引力波之中，这更让科学家们为此着迷。
黑洞是宇宙中常见的天体，但是它的质量却一直困扰着科学家们。由死亡的恒星演变而来的小型黑洞和居住在星系中央的巨型黑洞都早就被科学家们所证实。但是同样在理论上存在的，大概是几百到几千倍太阳质量的中型黑洞却一直没有被发现。可能存在中型黑洞的区域都距离地球太远而无法探测，如果科学家们可以探测到引力波，那么他们将可以通过引力波来探测中型黑洞的性质，这也将给科学家们了解早期宇宙中恒星如何形成带来极大的启发。
“你像尖微的唱针，在迟缓麻木的记忆上，划出细纹。”因为引力相对来讲极端微弱，质量小的物体所发射的引力波根本无法探测，要想探测到理论上我们可以感知的引力波，我们只能在宇宙中寻找质量极大的天体所做的剧烈活动。寻找宇宙中的“大事件”，例如中子星的碰撞，恒星的死亡，黑洞之间的碰撞，或是超新星爆发，在理论上这些大事件会辐射出可以被地球探测到的引力波。但是这些宇宙中的大事件并不能经常遇到，在一个世纪中我们也只能观测到几次超新星的爆发，这使得每一次可能观测到引力波的机会都显得尤为珍贵。
2011年初，《物理评论D》（Physical Review D）杂志刊登了一篇关于引力波探测的论文，这篇论文共有722位作者。论文描述了科学家们从2005年11月到2007年9月，试图探测一个双子黑洞系统发射出的引力波的过程，结果仍然是以失败告终。这篇论文之所以引起广泛的关注，不光是因为此前人们对这次探测充满希望，也因为它的作者大多工作在目前地球上两个主要的引力波探测器――加州理工学院和麻省理工学院合作建立的激光干涉引力波探测器（LIGO）和法国、意大利合作建立的VIRGO探测器。
LIGO探测器从2003年开始收集数据，它是目前世界上最大、灵敏度最高的引力波探测器，主要用于探测40至1000赫兹范围内的引力波。它包含一套相互垂直的、长达4公里的L形探测臂，而VIRGO探测器也是由一套长达3公里的巨大的探测臂组成。这些探测器都是为了探测当遥远的引力波到达地球时，地球所处的时空发生细小的扭曲，在一个维度上空间被拉伸，同时在另外一个维度上空间则被压缩。这种引力波所带来的效应会使探测器间的距离发生极为细小的变化，科学家们认为在探测器间持续发射测量距离的激光可以检测出距离的微小波动。除了LIGO和VIRGO探测器，地球上还有英国与德国合作建造，设在汉诺威的GEO探测器和日本的TAMA探测器，这些庞然大物至今也都仍然没有找到引力波存在的直接证据。
尽管科学家们至今仍然没有找到引力波存在的直接证据，关于它的间接证据人们却早就发现了。1974年，美国普林斯顿大学的宇宙学家罗素・赫尔斯（Russell Hulse）和约瑟夫・泰勒（Joseph Taylor）发现了一种新型的脉冲星系统。他们发现，在一个名为“PSR1913+16”的脉冲双星系统中，它的围绕运转周期逐渐变小。这与广义相对论的预测，运动的物体辐射出引力波会带走能量、因而这两个脉冲星会逐渐接近完全符合。根据广义相对论的预测，这两个脉冲星将在3亿年之后融合在一起。这也是至今为止关于引力波存在的最强有力的间接证据，它给了科学家们相信引力波存在的信心。而赫尔斯和泰勒也因为他们的这项发现，获得了1993年的诺贝尔物理奖。
虽然目前在地球上的所有引力波探测实验都没有成功，科学家们却越挫越勇，开始有了更雄伟的探测计划。美国航空航天局（NASA）和欧洲宇航局（ESA）计划合作建造一个在太空中的引力波探测器LISA。这个计划中的太空引力波探测器将由3个相同的人造卫星构成，用来探测在0.1到1赫兹之间的低频率引力波。相比于在地面上的引力波探测器，在太空中的探测器会有更大的优势，它将不会受到地球上地震波和仪器的干扰。同时，对于引力波探测来说，不同探测器之间的距离越大，探测的精度也就越高。LISA探测器3个卫星之间的距离将达到500万公里，这将使它比地面上的LIGO探测器灵敏100倍以上；LISA探测器将可以灵敏到探测出卫星之间距离极其细微的变化――它的最大精度可以达到一个原子直径的1/100。由于经费原因，2011年4月，美国航空航天局宣布退出了LISA的建造和发射计划，转而将经费投入了詹姆斯・韦伯太空望远镜的建造，LISA剩余的工作只能由欧洲宇航局独自承担，按照计划探测器将于2014年开始进行工作。
“一组遥远的知觉，就这样，缠绕起我的心。最初的哭喊，和最后的询问，一样，没有回音。”尽管在理论上，引力波充斥于宇宙中，我们也掌握了引力波存在的无可置疑的间接证据，但科学家们经过几十年的努力，引力波仍然像是传说中人们苦苦寻找的瀛洲仙境，烟涛微茫信难求。寻找引力波存在的直接证据，仍然是现代物理学中最令科学家们感到兴奋的探险。在这个过程中，时空不再是僵硬的背景，而是变成了有生机的科学研究对象。理想中的引力波不光具有能量，同时也带着它所诞生处的信息，它也许可以为我们提供理解宇宙和我们自身的一个新维度。
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