目前如果要評(píng)選科學(xué)界最前沿、最熱門的研究領(lǐng)域，大多數(shù)人會(huì)把選票投給引力波，因?yàn)樵擃I(lǐng)域的科學(xué)家兩年內(nèi)4次捕獲來自黑洞的引力波、1次獲得諾貝爾獎(jiǎng)，并且該領(lǐng)域?qū)λ锌萍及l(fā)達(dá)國家的研究計(jì)劃產(chǎn)生了影響。
又見引力波
值得慶幸的是，在剛剛過去的2017年10月，科學(xué)家又宣布，在8月17日，美國激光干涉儀引力波天文臺(tái)(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，簡稱LIGO)和歐洲處女座引力波天文臺(tái)（VIRGO）從兩個(gè)相隔千里之地同時(shí)首次捕獲到中子星碰撞所發(fā)出的引力波。這是科學(xué)家近一年多來第5次檢測到引力波，前４次是黑洞合并所產(chǎn)生的引力波，而這次是中子星碰撞所發(fā)出的引力波。
中子星是恒星演化到末期，經(jīng)由超新星爆炸之后，可能形成的產(chǎn)物之一。在其形成過程中，恒星會(huì)遭受劇烈的壓縮，內(nèi)部物質(zhì)中的電子并入質(zhì)子后形成中子，最終成為直徑只有十幾千米，質(zhì)量卻是太陽數(shù)倍的致密星體。中子星的許多天文現(xiàn)象很有觀測價(jià)值，比如中子星的密度極高，每立方厘米便可重達(dá)數(shù)十億噸，當(dāng)兩個(gè)致密的中子星進(jìn)一步碰撞合并時(shí)，瞬間釋放出巨大能量，這時(shí)天空中一些方向的伽馬射線強(qiáng)度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)突然增強(qiáng)，產(chǎn)生所謂的“伽馬射線暴”。
這次的發(fā)現(xiàn)過程是這樣的：
首先，LIGO與VIRGO同時(shí)捕獲到一個(gè)持續(xù)時(shí)間為1百秒左右的新引力波信號(hào)，通過對信號(hào)特點(diǎn)的分析，科學(xué)家認(rèn)為這是兩顆中子星并合產(chǎn)生的。引力波信號(hào)到達(dá)后大約1.7秒，美國國家航空航天局（NASA）的費(fèi)米衛(wèi)星探測到了一個(gè)伽馬射線暴。由于引力波信號(hào)和伽馬射線暴同一時(shí)間來自天空同一區(qū)域，科學(xué)家認(rèn)為兩者必然是由同一個(gè)天文事件產(chǎn)生的。
隨后，世界各地的天文學(xué)家都接到LIGO通知，紛紛動(dòng)用一些最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡，比如錢德拉X射線空間望遠(yuǎn)鏡、哈勃空間望遠(yuǎn)鏡、甚大望遠(yuǎn)鏡以及阿塔卡瑪大型毫米波天線陣，對相關(guān)區(qū)域展開觀測。
后續(xù)的天文觀測持續(xù)了數(shù)周，結(jié)合這1百秒左右引力波的數(shù)據(jù)，科學(xué)家可以對這一天文學(xué)事件做出全面的描述。大約在1.3億年前，長蛇座尾部的“NGC4993”星系中，兩個(gè)比太陽略重的中子星不期而遇，它們剛開始相距約400千米，以每秒12圈的速度圍繞彼此轉(zhuǎn)動(dòng)。巨大的質(zhì)量攪動(dòng)著宇宙，傳出一陣陣時(shí)空的漣漪——引力波。
隨著中子星越靠越近，兩者轉(zhuǎn)速逐漸增加到每秒2000圈，引力波的“哨音”也愈發(fā)急促。終于，兩個(gè)中子星碰撞在一起，10億℃的高溫物質(zhì)從碰撞處噴涌出來。巨大的沖擊波也在穿過噴涌物質(zhì)時(shí)，散發(fā)出強(qiáng)烈的伽馬射線。這些光、宇宙射線和引力波一起，以光速行走了1.3億年，終于來到地球，被人類察覺。
“多信使天文學(xué)”
這次捕獲到中子星碰撞所發(fā)出的引力波，對天文學(xué)研究產(chǎn)生里程碑式的發(fā)展。
我們常說，天文學(xué)研究是“盲人摸象”，因?yàn)橛钪嫣罅?，要了解它太難了，一種觀測方式往往只能了解片面的信息。從古人單憑肉眼仰望星辰，到伽利略首次用天文望遠(yuǎn)鏡對向夜空，人類觀測宇宙的唯一方式曾經(jīng)就只有用眼去看，但這種觀測受到天氣條件的約束，而且許多星體是肉眼看不到的。
隨著科學(xué)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到在可見光之外，宇宙中還存在X射線、無線電波等看不見的射線。通過探測它們，可以觸摸到宇宙這只“大象”的另外一些方面，比如黑洞的引力讓光線也無法逃脫。人們無法看見黑洞，但是它會(huì)釋放出很強(qiáng)的X射線，這讓天文學(xué)家得以分析黑洞的若干性質(zhì)。所以，現(xiàn)代科學(xué)家所研究的就是“電磁波天文學(xué)”——用可見光、X射線、無線電波等不同波段的電磁波來“看”天文現(xiàn)象。
然而，引力波是與電磁波本質(zhì)不同的物理現(xiàn)象，百年前愛因斯坦的廣義相對論指出，引力波記錄的是時(shí)空變化的“漣漪”，它與物質(zhì)的相互作用非常弱（不像電磁波），其攜帶的來自波源的信息恒久不變。通過這種全新的物理現(xiàn)象，科學(xué)家又有了一種“聽”天文的方式，使“電磁波天文學(xué)”會(huì)進(jìn)化為“多信使天文學(xué)”，既可以利用電磁波“看”，又可以用引力波“聽”天體，并且還可以利用電磁波“看”那些用引力波“聽”到的天體。此次的“中子星碰撞”就是用這種手段來研究的——科學(xué)家僅靠引力波數(shù)據(jù)就了解了中子星碰撞的過程、確定了伽馬射線暴的起源，然后利用電磁波又“看”到這次碰撞。
接下來，科學(xué)家會(huì)用同樣的技術(shù)手段（LIGO、VIRGO）觀察更多的黑洞、中子星合并產(chǎn)生的引力波，以后可能每天都有新發(fā)現(xiàn)。同時(shí)，多信使天文學(xué)還有兩個(gè)更重要的方向要去探索。一是去探索更加微弱的引力波。按照愛因斯塔的理論，引力波信號(hào)的強(qiáng)弱與發(fā)射源的質(zhì)量和遠(yuǎn)近有關(guān)。目前科學(xué)家所捕獲的引力波信號(hào)，要么來自黑洞，要么來自近距離的中子星，都是比較容易找到的。而宇宙中更多的引力波源自數(shù)目龐大的小星體，比如行星、白矮星，它們活動(dòng)更頻繁，但發(fā)射的引力波信號(hào)就要弱許多。但目前，LIGO、VIRGO的技術(shù)還達(dá)不到能測到它們的精度。
另一個(gè)更偉大的目標(biāo)，就是嘗試收集宇宙大爆炸產(chǎn)生的初始引力波。因?yàn)橐Σú粫?huì)衰減，所以初始引力波很可能還在宇宙中回蕩。找到它們，或許能夠幫人類開始認(rèn)識(shí)宇宙起源與物質(zhì)創(chuàng)生的秘密，甚至有可能開始探測光產(chǎn)生之前的原始宇宙。
科學(xué)理論推測，138億年前，大爆炸發(fā)生之后的一段時(shí)期里，宇宙里充斥著非常熱的光子、電子、質(zhì)子組成的等離子態(tài)物質(zhì)，它們組成了高溫、高密度的帶電漿云。光子在這團(tuán)漿云中不斷與電子和質(zhì)子發(fā)生散射，根本跑不出這鍋熾熱的粒子粥。所以，最初的那38萬年的宇宙，我們是無法看到的。直到大爆炸發(fā)生38萬年后，隨著宇宙膨脹和冷卻，原子開始形成，帶電漿云漸漸散開，宇宙中就有了可以傳播的光線（運(yùn)動(dòng)的光子）——這也是“電磁波天文學(xué)”可以研究的所有天文現(xiàn)象的“時(shí)間起點(diǎn)”，如果要研究這之前的事情，只能寄希望于初始引力波。但初始引力波的頻率更低，波長跟整個(gè)宇宙的尺度差不多，對技術(shù)要求更高，雖然我們不知何時(shí)才能實(shí)現(xiàn)，但這還是給我們帶來了希望和研究方向。
引力波還能干什么？
最后，我們無法免俗，還是要來討論一下引力波對于普通人有何價(jià)值，畢竟“宇宙時(shí)空”這種事離我們太遠(yuǎn)了。其實(shí)，科學(xué)家在探索引力波過程中帶來的科技進(jìn)步，已經(jīng)有不少能夠轉(zhuǎn)化為民用。
以世界上最重要的引力波探測天文臺(tái)即美國的LIGO為例，它耗資數(shù)億美元，由上千位科學(xué)家花費(fèi)40年時(shí)間建成，但目前仍需要繼續(xù)“升級(jí)”。原因就在于，引力波是非常微弱的，地殼運(yùn)動(dòng)的震顫、數(shù)千千米外海浪拍打巖石的聲音、溫度的略微上升，都可能對探測造成影響。為了保證抗干擾能力，LIGO須把精度技術(shù)提升到極致。
比如，LIGO使用的鏡片由高純度的二氧化硅制作，能夠做到每射來300萬個(gè)光子，只有一個(gè)光子會(huì)被鏡子吸收，即只擋住了一個(gè)光子?？梢哉f鏡片甚至比空氣還要通透，該技術(shù)可以用于醫(yī)療、手機(jī)、相機(jī)；探測引力波時(shí)，LIGO激光在天文臺(tái)內(nèi)反射400次，光路總長度達(dá)到1600千米，但仍能做到不發(fā)散、不衰減，其中必然使用了高超的激光功率放大技術(shù)，那么或許可以給無人駕駛汽車中的激光雷達(dá)提供一些借鑒；LIGO真空系統(tǒng)內(nèi)的壓強(qiáng)，可以做到海平面大氣壓強(qiáng)的一萬億分之一，如此高程度的真空技術(shù)，對于需要防塵的半導(dǎo)體加工工業(yè)應(yīng)該同樣有用；而LIGO的減震抗震系統(tǒng)，在軍用導(dǎo)彈存儲(chǔ)方面可以照搬應(yīng)用。
那么，引力波本身能干什么？可以說，在能夠預(yù)見的將來，引力波對于日常生活幾乎毫無用處，最多也只能給導(dǎo)演或者作家提供一些創(chuàng)作靈感，比如電影《星際迷航》、《星際穿越》以及小說《三體》中都有關(guān)于引力波的橋段。不過，當(dāng)初人類最開始意識(shí)到電磁波存在時(shí)，也并沒有感覺到電磁波有什么用，如今，電磁波卻在微波爐、手機(jī)、航空中不可或缺。由此推測，引力波也許能夠重復(fù)這個(gè)故事。
本文源自大科技〈科學(xué)之謎〉雜志2018年1期 文章 歡迎您關(guān)注大科技公眾號(hào)：hdkj1997
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