浅谈未来新星——引力波

浅谈未来新星——引力波

张天璞

关键词：引力波；观测设备；发明；探索

贝克莱主教的“存在即被感知”这句主观唯心的名言最适合形容量子力学的进步旅程。大师王阳明曾谈“你未看此花时，此花与汝同归于寂，你来看此花时，则此花颜色一时明白起来”。引力波就是这样一个概念，它曾由爱因斯坦用数理方式预测其存在，并由物流学家在近两年内通过aLIGO观测到了相关信号，进一步证明了其真实的存在。

六年前，一位民间科学家通过“加速系，物质波，引力波”的说法解释引力波，这并不符合逻辑，他将理论称为“统一物理学”。对于这种定义，我并不能认同，科学研究是需要理性思考的，不可能仅凭一腔热血就期待摘得诺贝尔奖，正如张光北指出的“得先把基础知识弄明白，才能不断地攀登科学高峰，实现人类的梦想和幻想。”网友们都认为嘉宾应当给这位民间科学家道歉，我并不认同，科学研究不是拥有几个物理学名词就能够实现的，它需要扎实的理论基础和逻辑思维来保证想法的合理性和可能性。

在物理学中，引力波是指时空弯曲中的涟漪，通过波的形式从辐射源向外界传播，这种波以引力辐射的形式传输能量。这种弯曲因为质量的存在而导致。引力波不断地通过地球，然而，即使最强的引力波效应也是非常小的，并且这些源距离我们十分遥远。比如GW150914在最后的剧烈合并阶段所生成的引力波，在穿过13亿光年之后到达地球，这种最为强大的时空涟漪，也仅仅将LIGO的四公里臂长改变了一个质子直径的万分之一，仅相当于太阳系到距离最近的恒星一个头发丝的宽度。这种极其微小的变化，如果不借用异常精密的探测器，我们是根本探测不到的。2016年2月11日aLIGO探测到的两黑洞合并引力波，以及同年六月探测到的两中子星合并引力波，如此致密的双星系统产生的效应都如此微弱，但在原则上，引力波在各个频率上都有。非常低频的引力波是不可能探测到的，在非常高频的区域也没有与之匹配的引力波源，霍金与以色列认为可能被探测到的引力波频率，应该在1.0E--7Hz到1E--11Hz之间，如此微弱但又迷人的宇宙物质，人类在探测它的道路上也做过不少努力。

最为著名的实验当属美国麻省理工大学的教授与学生，他们借助美国308米的射电望远镜，成功观测到一组双星系统，两颗中子星，其中一颗由于是脉冲星，又因他们的质量较大，甚至可以和太阳相当，所以利用精准周期性脉冲信号，可以十分准确地知道两颗天体绕其质心公转的半长轴，周期，又因广义相对论，我们还可以知道，当两个致密天体彼此绕转时，引力波会带走部分能量，根据角动量的变化，可以非常准确得出其变化率，每年76.5微秒，半长轴每年缩短3.5米，甚至，根据广义相对论中的理论基础，可以预言，这个双星系统将在3亿年后合并，我们在这时也不得不赞叹与钦佩爱因斯坦的睿智。这两位学者在1993年因这段探索历程获得了物理学诺贝尔奖。这样类似的双子星系统已经在近几年发现了近十个，但在aLIGO观测到的双黑洞系统，是首个。

更早的时候，磁通量的命名者——韦伯，曾在观测引力波的实验下过十分大的心血，他做了一根长两米，直径0.5米，重约1吨的铝棒，也就是业内著名的共振棒探测器，根据一定的力学原理，由于引力波的交错挤压，共振棒的侧面将会指向引力波的到来方向，由于受制于当时的科技水平，实验并没有取得成功，虽然韦伯最后没能找到引力波，但他开创了引力波实验科学的先河，在他之后，很多年轻且富有才华的物理学家投身于引力波实验科学中。在最近，中国，欧洲，美国都建立了一些观测设备，抑或通过了相关的动议，正在策划如何建造，相信在不久的未来，有关引力波的发布会变得越来越多，对引力波的探究，也会越来越深。

说到这里，可能会有许多人问，引力波既如此难观测到，又还没有完全研究清楚，有什么作用呢？在过去的一个世纪，因为新的观测宇宙的手法，天文学已经发生了改革性的变化。天文观测最初使用可见光，伽利略最早使用望远镜进行观测，然而，可见光只是电磁波谱的一小部分，在遥远的宇宙中并非所有的天体会在这个特别的波段产生很强的辐射，比如，更有用的信息或许可以在射电波段中获得。天文学家同样期望引力波也能开启一个新的纪元。

其次，引力波有两个非常重要且比较独特的性质。第一：不需要任何物质存在于引力波源周围。这时就不会有电磁辐射产生。第二：引力波能够不受阻挡的穿过途中的所有天体。这两个特征表明引力波可能携带更多的天文信息。

数个世纪之前，电磁学的飞速发展让这个世界发生了翻天覆地的变化。众所周知，电磁波是电场和磁场在空间中传播能量的形式，而引力波则是引力场在时空中传播能量的形式，当初电磁波自英国科学家麦克斯韦1865年提出到现在也只不过20多年的时间，而引力波这一理论自上个世纪已有一百多年的历史，这个在物理学坛跨世纪的理论，预示着物理学一场新的风暴即将来临。

如果说电磁波让人类拥有了一双欣赏神秘美丽宇宙的千里眼，那么引力波则是让人类拥有一对倾听波澜壮阔宇宙的顺风耳。在不久的将来，运用引力波交流可能会更加普遍，因为其穿过星体几乎不损失信息的特性，可以用来向四周的宇宙发射引力波，来告诉未知的外星文明人类的存在；又因为它记录着天体之间的运动，我们可以借助引力波这一工具探求未知的宇宙。物理学每一个新的发现，都会带动人类文明向前推进数个世纪，我相信引力波也是如此。

随着LIGO探测器第一例引力波事件的发现，人类算是刚刚打开引力波天文学这一扇新的科学窗口，未来会有什么新的发现，让我们拭目以待。

参考文献

[1]许琦敏.引力波天文学时代正式开启[N].文汇报.2016-06-17.

[2]钱童心.70台望远镜“合力”开启引力波时代[N].第一财经日报.2017-10-18.