德升：引力波發展簡史，朝聞道夕可死矣

在我們還沉浸在猴年的愉悅中時，科學界一重大發現，讓我們萬分激動。"我們成功檢測了引力波！"美東時間2016年2月11日10點30分（北京時間23點30分），美國激光干涉引力波天文台（LIGO）執行主任大衛o瑞茲宣布。

2016年恰好是愛因斯坦提出相對論的一百周年，但是愛因斯坦當時預言引力波存在的同時，也預言了引力波是不可探測的。顯然，人類科技進步的速度在百年時間內也超出了愛因斯坦當年的想像。

這次探測到的引力波是由13億光年之外的兩個黑洞在合併的最後階段產生的。據了解，13億年前的地球充其量還只有低等生命的存在，然而那時候遙遠外太空里一顆質量為29倍太陽質量的黑洞與另外一顆36倍太陽質量的黑洞緩慢地靠近了，它們相互繞轉，最後碰撞併合在一起，並撥動宇宙的琴弦--發出引力波。引力波以光速傳播，在走了漫長的13億年後，如今正強烈地撥動著2016年地球人的心弦。

作為一個普通大眾，我們在被各種社交媒體刷屏的"引力波"洗腦的同時，卻很少有人知道，引力波到底是什麼？為何捕獲它如此之難？它對人類有何意義？

引力波，其實我們並不陌生

在去年獲得科幻小說大獎的《三體》裡面，人類用來和三體星人抗衡的武器，就是引力波發射裝置。在小說故事裡，主人公羅輯發現"黑暗森林"法則之後，威脅三體星人要將對方的星空坐標通過引力波廣播出去，將對手暴露在更加兇險的未知敵人面前。三體星人因此就範，和人類達成了和平。

實際上，《三體》的作者劉慈欣並不只在這一部作品中引入了引力波的概念。在他的另一篇科幻小說《朝聞道》中，引力波同樣成為了在宇宙間傳遞信息的工具：人類接觸到的高等宇宙文明，就是通過破譯引力波，獲得了宇宙終極問題的答案。

此外，電影《星際穿越》的科學顧問基普·托爾內參與寫劇本時，講述了人類是怎樣在觀測引力波的同時，發現了那個足以拯救全人類的"蟲洞"的。當《星際穿越》上映時，托爾內預計人類會在10年之內首次實現對引力波的觀測，因此他在電影設定中，把發現"蟲洞"的時間安排在了2019年。而現在，科學家的發現比托爾內的估算提早了3年。

引力波是愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最後一塊缺失的拼圖

據介紹，引力波是一種時空漣漪，如同石頭被丟進水裡產生的波紋一樣。黑洞、中子星等天體在碰撞過程中有可能產生引力波。

100年前，愛因斯坦的廣義相對論預言了引力波的存在。根據廣義相對論，引力是由於質量所引發的時空扭曲所造成，任何有質量的物體加速運動都會對周圍的時空產生影響，其作用的形式就是引力波。雖然引力波無處不在，但是非常微弱，只有像超新星爆發、中子星與黑洞等天體相撞，才會產生足夠強烈的引力波。

探測引力波不僅可以直接驗證廣義相對論中最重要的預言，還可以獲得很多傳統天文學手段無法獲得的天體物理信息，研究暴漲和相變等極早物理過程，為人類開啟觀測宇宙的新窗口。

因此，世界科學界公認，引力波探測是難度最大的尖端科技之一，也是一項意義重大的物理學基礎研究。100年來，也不斷有實驗聲稱直接探測到了引力波，並造成過全球轟動效果，其中比較有名的案例包括20世紀60年代的韋伯實驗，以及2014年的BICEP實驗，但後來都被證明是烏龍。

作為愛因斯坦廣義相對論中最重要但一直未被證實的預言，引力波是物理學王冠上最耀眼的一顆明珠，如果探測成功，將是人類認知史上具有里程碑意義的科學發現。

捕獲引力波為何那麼難？

引力波是非常弱的一種信號，弱到連愛因斯坦本人都曾懷疑能否建造足夠靈敏的探測器，探測引力波很長一段時間內被視為"不可能完成的任務"。

從2015年9月起，一個未經證實的消息開始在物理學界流傳開來。

據說經過了幾年升級改建的先進激光干涉引力波天文台（advanced LIGO）在重新開始工作之後的一個星期內就探測到了引力波的信號。此前這個傳言一直沒有得到官方的證實或否認--這個態度被很多人認為算是一種默認。如今，傳言終於得到了證實，升級之後aLIGO的兩個探測器探測到了距離地球13億光年之外的兩個黑洞在合併過程中放射出的引力波，這是在愛因斯坦發表了廣義相對論一百年之後，人類第一次發現引力波存在的直接證據，這個發現將以一系列論文的形式發表在《物理評論快報》（PRL）雜誌和《天文期刊》（The Astrophysical Journal）雜誌上。

LIGO科學合作組織的研究成員、加州理工學院物理學教授陳雁北認為，引力波攜帶的能量很大，但實際對物質產生的作用卻十分微弱，這也是探測它很困難的原因。如果把引力波在地面附近的能量流單位時間和面積算一算，就會發現它不能挪動電荷，所以作用很微弱。

"如果把時空類比為彈簧，那麼一定是一個很硬很硬的彈簧，用很大的能量才能壓動一點點。"陳雁北說，如果某人站在引力波波源附近，而引力波向此人正面襲來，從理論上說人會變得矮胖，再抻長，再變矮胖……如此反覆，但實際上在地面是很難探測到引力波的。

國內外譜寫千帆競發，百舸爭流畫面

引力波首先由愛因斯坦在100年前預測，此次對它的發現，除了能夠檢驗廣義相對論之外，還有助於證明其它版本的引力理論正確與否，還將推動引力量子化的研究，最終把引力融入其它三種基本相互作用。它能夠讓我們回望宇宙大爆炸最初瞬間，檢驗宇宙大爆炸理論的正確與否。因此霍金將之稱為"很可能引發天文學革命"的大事件。

而引力波的發現必然會刺激各國的引力波研究，在美國的LIGO計劃開始之後，歐洲也開始進行引力波探測計劃；日本開始建造大型的KAGRA引力波探測器；前些年，印度也開始加入了引力波探測的行列；而在中國，"天琴計劃"也正在如火如荼進行著。

引力波，究竟有啥意義？

幾千年來人類觀察宇宙的方式大多都只是仰望星空，直到幾百年前人們才能通過望遠鏡進行觀察，影像固然更加清晰，但所看到的仍然只限於可見光的頻率範圍之內。直到二十世紀，人類理解了電磁學，才能從紅外線到伽馬射線，在更廣闊的頻率範圍內觀測宇宙。想要看清宇宙的面貌，僅僅通過電磁波還遠遠不夠，中微子為宇宙學家們打開了又一扇門，通過藏在地下的一個個中微子天文台，人類才多了一個觀測宇宙的手段，但是這種方式的局限性仍然非常明顯。因此，如果能夠在地球上觀測到引力波，人類將會增加一個非常獨特而靈敏的宇宙學觀測方式。

正可謂謀事在人，成事在天。引力波的發現是和人類歷史上許多偉大發現一樣，是一個偶然。就連愛因斯坦都不敢想像，我們真的探測到引力波！

包括中國科學家在內的多國科學家認為，新發現不僅填補了廣義相對論實驗驗證中最後一塊缺失的拼圖，讓現代物理學的根基更加堅實，也意味著科學家抓住了揭開宇宙奧秘的鑰匙，有助於了解宇宙的起源和運行機制。

南非誇祖魯-納塔爾大學的引力波研究專家馬寅哲說，天文學的發現幾百年以來主要靠電磁光譜的測量，射電、光學、紅外等從"看"的角度觀測宇宙，引力波的發現則從"聽"這一完全不同的角度進行天文觀測，引力波天文學這一學科的大門徹底被打開。引力波將成為探測黑洞質量、測量宇宙距離等問題的新窗口。

那能否藉助引力波實現星際航行、時空穿越或者星際通信呢？陳雁北教授認為，從理論上講，有可能向一個正在合併的雙黑洞發射一個疊加的引力波，可望產生一種引力波放大效果，但實際上不太可能實現。此外，由於引力波本身造成的時空彎曲是很小的，所以藉助引力波穿越時空、回到過往並不現實。

加州理工學院物理系教授魏因施泰也認為，引力波離應用階段還很遠，現在談"藉助引力波時空旅行"等之類的科學幻想以及設想還為時太早，利用引力波的宇宙通信也只是一種微弱的可能。

朝聞道，夕可死矣

劉慈欣的小說《朝聞道》中，掌握宇宙終極理論的外星文明"排險者"造訪了地球。在那個世界裡，尋找終極理論所必須的能量，將導致我們所在的宇宙毀滅;而為了多重宇宙的安全，他們又不能直接把終極理論的細節告訴人類。但是一位地球物理學家提出，可以繞過這個所謂的知識密封準則：

"你把宇宙的終極奧秘告訴我，然後毀滅我。"

事就這樣成了。他們用自己的生命，換取了短暫而永恆的領悟。

如果終極理論必將導致毀滅，那麼排險者是如何得到它的呢？在小說中，答案就是引力波。上一個宇宙尋找終極理論的努力引發了真空衰變，但是在最後關頭，他們將獲取到的知識編碼在引力波之中，發射了出去。排險者是我們宇宙中的第一個文明，也是唯一一個在引力波衰減到不可讀之前破譯了它的文明。

其實，我們並不知道宇宙產生一個文明需要多久，畢竟引力波和物質之間的相互作用極度微弱，衰減也是極度緩慢的。記得劉慈欣在《三體》中用黑暗森林理論來解釋費米悖論--為什麼我們看不到外星人，但是現實中，有兩個更加簡單的可能解釋：第一，智慧文明的誕生也許極端困難、極端罕見；第二，我們有可能是宇宙間第一批（甚至第一個）文明。

在這個意義上，我們也許將是最初和最後的人。宇宙並不在乎其間發生了什麼，它自會按照自己的規律運行；而我們誕生在了一個幸運的時刻，或許能在不久的將來目睹終極理論的誕生，甚至可能將是唯一親自見證這一瞬間的文明。宇宙最不可理解的事情在於它竟然是可以理解的，而倘若我們真的理解了它，那將何其有幸！朝聞道，夕死可矣；我們都將死去，但哪怕我們所創造的一切都將化為灰燼，我們依然能知道宇宙初生的那個黎明，和宇宙最終滅亡的那個夜晚。我們將憑知識超越時空--而今天，我們將在這條道路上邁出小小的又一步。

誠然，不管是一大步還是一小步，只要能帶動這個社會的進步。

而引力波的探測，就是一個時代的開始，天文學領域終將不是紙上談兵。

其實從天文科學界的引力波，可以聯想到我們社會生活中的引力波，我們每一個人都可以製造引力波，當一些符合核心價值觀的大事件發生時，就會產生引領社會風氣的無形的波，這就是引力波，即我們一直稱之為的"正能量"。