引力波的神秘光環(huán)

國防科學(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倍太陽質(zhì)量的黑洞和一顆29倍太陽質(zhì)量的黑洞相互吸引、纏繞、旋轉(zhuǎn)，象一對優(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62倍太陽質(zhì)量的黑洞。損失掉的3個太陽質(zhì)量的能量主要以引力波的形式向茫茫無際的宇宙輻射，其中的極小部分于北京時間2015年9月14日抵達地球，列隊通過美國的激光干涉引力波觀測平臺(LIGO)。引力波會引起它通過的空間振動而伸縮，就象小球輕輕撞擊彈簧一樣。引力波的這個持續(xù)時間0.2秒的小動作正好被拿著激光干涉“望遠鏡”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)翹首期盼了它一個世紀(jì)。1915年11月，愛因斯坦初步建立了廣義相對論，用四維時空的曲率來描述引力。他的引力場方程將時空的曲率與物質(zhì)的能量和動量聯(lián)系起來。1916年6月他對引力場方程進行了近似的計算第一次預(yù)言了引力波的存在，認(rèn)為聚集成團的物質(zhì)的形狀或速度突然改變時，會改變附近的時空狀態(tài)，效應(yīng)就像漣漪以光速在宇宙這個“大?！崩飩鞑ァV義相對論的其它預(yù)言如水星近日點進動、引力場中的光線偏折、引力鐘慢、引力紅移和拖拽效應(yīng)都相繼被證實，唯獨引力波，一直頑皮地游走于人類的直接探測之外。

基于對物理理論的深刻認(rèn)識，一直以來物理學(xué)家對引力波的存在是深信不疑的。只是因為宇宙中的引力波太弱了，很難被直接探測到。近百年來科學(xué)家做了很多努力和嘗試，都沒有成功。

到目前為止，人類探測到的自然界中的基本相互作用力有四種：引力、電磁力、弱力和強力。強和弱相互作用都是短程力，只對微觀世界的粒子起作用。引力和電磁力都是長程力，能夠作用于宏觀物體。四種相互作用中，引力的強度最弱，以無量綱的耦合常數(shù)來表示，它比電磁作用至少要小35個數(shù)量級。

    加速運動的電荷產(chǎn)生電磁波，與此相似，加速運動的質(zhì)量輻射引力波。電磁波和引力波都很容易在實驗室中產(chǎn)生，但是引力波的強度會比電磁波的弱很多。這不僅僅是由于引力相互作用的強度比電磁的弱很多，還因為電磁波和引力波的產(chǎn)生機制有所不同。電磁波可以通過電荷的偶極震蕩產(chǎn)生，而引力波必須通過物質(zhì)的能量四極矩的加速變化產(chǎn)生，這樣的產(chǎn)生機制更是大大壓低了引力波的強度。舉例來說，我們在地球上每平方米能接收到太陽輻射電磁波的平均功率大約為1300瓦。而地球和太陽組成的一個兩體轉(zhuǎn)動系統(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)到太陽地球系統(tǒng)這樣的一個大空間中，我們在其中的一點上探測引力波的難度比大海撈針大多了。此外，對引力波和電磁波的探測，是要分別利用探測器上產(chǎn)生的引力和電磁相互作用效應(yīng)，對引力波的探測效率遠低于對電磁波的。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，甚至太陽系中的天體產(chǎn)生的引力波都很弱，遠遠超出了人類目前的探測能力?？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動產(chǎn)生的強引力波。撈這些大針總比小針容易吧！

就算是撈“大針”，對網(wǎng)也是有嚴(yán)格要求的。根據(jù)廣義相對論的計算，這些巨大天體激烈運動產(chǎn)生的“強”引力波會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。探測器必須滿足這樣的精確度和靈敏度要求才能捕捉到引力波信號。LIGO是目前最先進的引力波探測器，它主要由安放于美國境內(nèi)的兩套相隔約三千公里的激光干涉儀組成。每套干涉儀有兩個互相垂直的長4000米的臂，臂內(nèi)真空度很高?？茖W(xué)家們讓兩束激光在長臂中來來回回地跑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。引力波通過時，引起空間變形，兩束光的路程差發(fā)生大約10^-15米變化，激光干涉條紋就會發(fā)生相應(yīng)的變化，由此可以讀出引力波信號。這次LIGO測到的引力波來源于雙黑洞融合瞬間噴發(fā)的最強部分，只測到0.2秒的信號。用萬幸來形容并不為過，因為差一點就失之交臂了。

引力波的發(fā)現(xiàn)不僅是對愛因斯坦廣義相對論一次意義非凡的直接驗證，是廣義相對論百年華誕的最好獻禮。這一劃時代事件本身也是人類文明進程史上的一個里程碑。LIGO實驗使得長度測量的精度達到了10^-18m，是原子核尺度的一千分之一，這是一個新記錄。LIGO是一個大型精密實驗裝置，它的建造集成了人類方方面面的科技成果，表明了人類科學(xué)技術(shù)的巨大進步。

在學(xué)科發(fā)展上，引力波的成功探測為人類研究和探索致密天體及宇宙的演化規(guī)律開辟了新途徑。人們認(rèn)為引力波的發(fā)現(xiàn)對天文學(xué)發(fā)展的意義不亞于400年前伽利略首次用望遠鏡觀測夜空。幾百年來，人類主要依靠探測和分析來自宇宙深處的電磁波、宇宙射線和中微子信號來研究天文學(xué)?，F(xiàn)在觀測到了引力波，多了一種探測方法，科學(xué)家可以通過它來進一步探索和理解宇宙的物理演化過程。目前的常規(guī)望遠鏡和探測器還存在一些探測死角和盲區(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探測來自這些星體的引力波得到。LIGO探測到的引力波就表明了存在太陽質(zhì)量級別的雙黑洞系統(tǒng)，是人類第一次探測到雙黑洞合并現(xiàn)象。常規(guī)的探測途徑也無法獲得宇宙起源的信息，因為電磁波、宇宙射線和中微子要在宇宙大爆炸之后一段時間才能產(chǎn)生。而根據(jù)現(xiàn)在公認(rèn)的宇宙起源模型，宇宙大爆炸時會發(fā)生宇宙時空劇烈的暴脹過程，時空的劇烈擾動會產(chǎn)生一個引力波的背景信號。這種強的原初引力波，有可能在不久的將來被人類探測到，為人類探索宇宙的起源和演化提供一個有效的觀測手段。

毫無疑問，引力波的發(fā)現(xiàn)宣告了一個科學(xué)時代的開啟，這是它的學(xué)術(shù)身價。但是它的技術(shù)應(yīng)用價值怎樣呢？在科幻小說和電影里，人們經(jīng)?？梢钥吹疥P(guān)于引力波的各種令人腦洞大開、耳目一新的裝備，引力波通信、引力波天線、引力波雷達、引力波探測和成像、引力波反重力武器、引力波推動飛船等描寫屢見不鮮。象這些關(guān)于引力波通信、探測和能量傳輸?shù)确矫娴拿鑼憣嶋H上都可以在日常生活中找得到電磁波的應(yīng)用原型，只不過基于引力波的技術(shù)和裝備威力更強大。誠然，和電磁波相比，由于引力相互作用很弱，引力波在傳播過程中幾乎不受外界的干擾，因此具有超強的穿透性，可以輕易穿越中間媒介物體的阻擋，在通信、探測和能量傳輸?shù)确矫婢哂须姶挪ú豢杀葦M的優(yōu)勢。除此之外，引力波還有自己的獨特能耐，它可以扭曲它經(jīng)過的時空。對引力波這個性質(zhì)的應(yīng)用設(shè)想更是可以放飛想象大膽展望。比如，人類可以通過向飛行器發(fā)送引力波，改變飛行器上的時空尺度和性質(zhì)，干擾飛行器的定位和導(dǎo)航，使其迷航。人類甚至可以利用引力波來建造“時空迷宮”。進入“時空迷宮”中的任何物體會自覺地沿著被引力波扭曲的空間軌道運動，它的落點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動路徑導(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。引力波的獨特性質(zhì)以及關(guān)于它的這些奇思妙想很容易撩動人們的熱情，一些國家開始關(guān)注它的技術(shù)應(yīng)用，特別是在軍事上的應(yīng)用前景。

    美國國防情報局早在2008年就對難以捉摸的引力波是否可能被別國利用從而給美國的國家安全帶來威脅開展過調(diào)查。美國的一家公司還給國防情報局提交過一份項目申請書，希望該局資助公司通過利用強磁場將電磁波轉(zhuǎn)變成強引力波的研究。國防情報局要求賈森國防顧問團確定是否可以利用這種高頻引力波給地球中心繪制圖像，或者利用它進行遠程通訊。賈森國防顧問團的成員有不少是國際一流的理論物理學(xué)家，他們經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撚嬎悖珜懥艘环?0頁的報告。報告認(rèn)為這種產(chǎn)生引力波的方法效率非常低，毫無現(xiàn)實意義。地球上的所有發(fā)電站同時開機運行100億年時間，才能用這種方法產(chǎn)生一個僅有一百萬分之一焦耳能量的引力波。讓一艘引力波驅(qū)動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個數(shù)量級。

看來，雖然對引力波應(yīng)用的設(shè)想很誘人，但是它的現(xiàn)實應(yīng)用是不樂觀的。要利用引力波，我們首先要有可以利用的引力波源。人類目前可以輕易產(chǎn)生引力波，不過太弱了，離可以被應(yīng)用相差甚遠。按照現(xiàn)有的被證實了的引力理論和技術(shù)水平，人類根本無法產(chǎn)生足夠強的、可以被加工和探測的引力波，更不用說應(yīng)用它去服務(wù)人類了。既然經(jīng)常有來自宇宙深處的強引力波光臨地球，我們能不能收集、儲存、控制和加工這些引力波，作為人類的引力波源呢？對于電磁波，這樣的技術(shù)是比較簡單和成熟的，比如剛才提到的LIGO實驗，激光在長臂中來來回回地跑280次，就是一種電磁波的儲存技術(shù)。但是對于引力波，這樣的操作難度很大，因為引力波的穿透性很強，很難找得到關(guān)住它的“籠子”。

不過，我們也用不著對引力波的應(yīng)用操之過急。我們畢竟才剛剛發(fā)現(xiàn)它，對它還很不了解，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)的無線電磁波會有任何實際用途。但是在隨后的一個多世紀(jì)里，電磁波的各種應(yīng)用技術(shù)相繼被發(fā)明和創(chuàng)造，將人類文明進程顯著推進?？赡芤Σǖ膽?yīng)用也要經(jīng)歷一個比較漫長的過程。現(xiàn)在，我們能做的就是對它進行基礎(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，對引力的研究需要進一步的深入和突破。在四種基本相互作用中，引力是人類最早開始認(rèn)識的，但也是到目前為止最不清楚的一種相互作用。愛因斯坦的廣義相對論用四維時空的曲率來描述引力，它簡單而深刻的物理內(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)言均被證實了。但是廣義相對論是無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論的理論框架內(nèi)成功量子化。廣義相對論和量子力學(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)為廣義相對論可能只是引力的一個近似理論，它能成功地描述宏觀的引力現(xiàn)象，但是對于微觀現(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程受阻。目前國際學(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)為通過弦的振動可以產(chǎn)生引力波，它的計算結(jié)果表明人類能夠在地球上制造出強引力波。不過，弦理論目前還沒有任何的實驗驗證，還完全停留在理論猜想和數(shù)學(xué)表述環(huán)節(jié)。

實驗上，不僅僅是美國，歐洲、印度、日本和中國等國都很關(guān)注引力波的探測工作，都有投入巨資開展引力波實驗探測研究的意愿和計劃。我國主要有三個大型引力波探測計劃，現(xiàn)在都還在預(yù)研階段。其中兩個是太空探測項目，一個是地面探測項目。兩個太空探測項目分別是由中國科學(xué)院牽頭組織的“太極計劃”和中山大學(xué)領(lǐng)銜的“天琴計劃”，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星組，用激光干涉方法進行引力波的直接探測。“太極計劃”的主要科學(xué)目標(biāo)是觀測雙黑洞并合和極大質(zhì)量比天體并合時產(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程?！?/span>天琴計劃”主要探測的是低頻段連續(xù)型引力波。地面項目是由中國科學(xué)院主導(dǎo)的“阿里實驗計劃”，打算在西藏阿里地區(qū)放置一個小型但具有大視場的射電望遠鏡，從地面上聆聽宇宙大爆炸發(fā)出的原初引力波的低頻音符。這些引力波的探測計劃涉及學(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)計等先進技術(shù)。在建造空間大型科學(xué)探測裝置的過程中需要發(fā)展空間的超遠距離超高精度激光測量、超高靈敏度慣性傳感器，以及超高精度衛(wèi)星無拖曳控制等下一代高端空間技術(shù)，這些技術(shù)對于提升我國空間科學(xué)和深空探測的技術(shù)水平具有重要意義，對慣性導(dǎo)航、地球科學(xué)、高精度衛(wèi)星平臺建設(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)濟和國防。

每一次基礎(chǔ)科學(xué)的重大突破，都會轟轟烈烈地引起人類社會的一系列科技革命，改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)和生活模式，也會引發(fā)軍事變革，改變?nèi)祟悜?zhàn)爭形態(tài)。站在復(fù)雜電磁環(huán)境中的人類很難想象出未來復(fù)雜引力環(huán)境中的人類文明。引力波將會如何改變?nèi)祟惖纳睢⑸a(chǎn)以及戰(zhàn)爭形態(tài)？對這個問題的求解才剛剛開始。在求解的過程中，人類會不斷地革新技術(shù)水平、提升認(rèn)識能力、增加知識積累、拓展認(rèn)知疆域、推動社會進步。當(dāng)人類找到問題答案后，文明進程將會急劇加速，質(zhì)的飛躍將會飄然而至。