誰說引力波發現意義不大

誰說引力波發現意義不大

初五就傳來一則科學界的重大新聞——首個位於地球之外13億光年的引力波源被人類直接探測到。全世界的物理學界都激動得沸騰起來，可是過年中的中國人一片迷惘、冷淡，人們只管盯住眼前的利益感興趣，更有的人不屑一顧，竟然還有人寫文「引力波被發現意義不大」，真是無知者無畏！

該文我一看，原來是「因為沒有揭開萬有引力的本質，引力波發現很難產生新的技術應用。」這些人做夢摸到肚臍眼都以為是一塊金幣。任何科技項目，只要眼前起不到實用效益，就不會被國人重視。而美國人為了探測到引力波信號，特別花上十多億美元，建立了一個「激光干涉引力波天文台」（LIGO），該項目有超過1000名頂尖科學家參與其中，從1991年建設，2002年運行至今，才獲得今天首個重要科學成果，傻不傻？

閑話少說，還是讓我們先搞懂什麼叫引力波吧？我看過一些文章，都是太學術化了，讓人實在難以理解，因為他們如抄「天書」一樣，看似嚴謹，沒有錯誤，但似懂非懂，沒有自己理解的語言。

什麼叫引力波？

對於「波」，我們並不陌生，生活中時常會聽到水波、聲波、無線電波、電磁波、光波等等，引力波也就是波的一種。雖說最初與牛頓蘋果的萬有引力有關，引力只是人類最早定量認識的相互作用。但真正認識引力的精髓，還不在於因物體存在質量才導致引力，而在於愛因斯坦提出了一種完全不同的對於引力的看法——引力是因為質量對於宇宙時空造成了變形所導致，而非質量之間的吸引力。這就意味著，我們對時空可被當做一種可以變形的介質來認識。什麼叫介質？對波的傳播起決定作用的物質叫介質。

那麼什麼叫時空？即時間與空間。我們常說「星辰大海」，如果將時空當作為汪洋大海，海水就是能傳播的介質，那麼星球就如同海洋中的生物。可以想像，如果大海中的某條大魚搖搖尾巴，海水由此所產生的波動就會向外傳播。與此類似，宇宙中某個星球劇烈的活動、相互碰撞，會對所在的時空產生擾動，時空自身的波動也會向遠處傳播，如果足夠強，就能夠為地球上的我們所感知。

引力波與流體力學中的重力波很相似，當液體表面或內部液團由於密度差異離開原來位置，在重力和浮力的綜合作用下，液團會處於上下振動以達到平衡的狀態。即產生波動，引力波也稱為重力波。引力波則是由於空間質量和速度的變化導致空間產生的波動。所以引力波簡單來說，就是時空自身的波動。相比較我們熟知的無線電波，它僅僅是在時空之中傳播，時空是它的媒介。所以理解引力波不是狹義理解為萬有引力引起來的波，二者不屬於一種概念。

那麼這次引力波的發現，其重大意義在哪裡？首先這次引力波被發現，所帶來的震撼意義：讓人類「親耳」聽到了黑洞的存在！

過去我們只聽說黑洞吞吃恆星，絕大多數的黑洞都是孤獨存在的天體，如同幽靈般，沒有任何輻射或者輻射及其微弱，所以很難被發現。但是這一次完全不一樣，兩個天體都是黑洞，互相繞轉，最後合併。雙黑洞的質量分別為26和39太陽質量，屬於恆星級黑洞。雙黑洞合併中產生了非常強烈的時空振蕩，所以我們遙遠的地球才觀測到了引力波。而且這還是距離地球13億光年之外的一場引力波風暴，並以它的探測日期命名為 GW150914。

這兩個質量都比目前已知的恆星級黑洞要重許多。合併之後是62個太陽質量，是一個克爾黑洞（其自旋參數值為0.67）。對於黑洞的旋轉，天文學家用一個叫做「自旋參數」的量來表示（也叫「史瓦西黑洞」），合併的時間非常之短，僅僅在大約0.05秒的時間，就將3個太陽質量（大約6.0E30公斤）的能量就通過引力波的方式釋放出去，也就是說在一秒鐘可以釋放出大約10^32公斤的能量。黑洞合併的最後釋放出比整個宇宙每秒鐘輻射出的電磁總能量還要高出3倍。這個黑洞主要顯示發射頻率在240Hz左右的引力波。

什麼叫黑洞？黑洞是由質量足夠大的恆星在核聚變反應的燃料耗盡而死亡後，發生引力坍縮產生的。黑洞的質量極其巨大，而體積卻十分微小，它產生的引力場極為強勁，以至於任何物質和輻射在進入到黑洞的一個事件視界（臨界點）內，便再無法逃脫，甚至目前已知的傳播速度最快的光（電磁波）也逃逸不出。

黑洞的產生過程類似於中子星的產生過程：當一顆恆星衰老時，它的熱核反應已經耗盡了中心的燃料，由中心產生的能量已經不多了。這樣，它再也沒有足夠的力量來承擔起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，在自身重力的作用下迅速地收縮，塌陷，發生強力爆炸。物質將不可阻擋地向著中心點進軍，直到最後被壓縮成體積接近無限小、密度幾乎無限大的一個密實的星體。而當它的半徑一旦收縮到一定程度（一定小於史瓦西半徑），由於高質量而產生的引力，使得任何靠近它的物體都會被它吸進去。質量導致的時空扭曲就使得即使光也無法向外射出——「黑洞」就誕生了。

引力波的存在是挑戰了傳統的萬有引力定律。引力波的發現證實了，地球之所以繞著太陽旋轉並不是什麼力拉著地球，而是因為質量特別大的太陽是時空造成形變，時空彎曲著，使地球形成了以太陽為中心運動的軌道。

最後重大意義在於，人類從預言到探測，物理學家苦苦追尋等待引力波的到來已有一百年之久。為什麼引力波這麼難得一見？主要原因是，相比較其他的三種作用力（強力、弱力、電磁力），第四種「引力」是最弱的作用力，相應的引力波效應也就更弱了。由於這次雙黑洞的合併，產生了強大的引力輻射，才以讓輻射信號被探測到。引力波的探測，這將是一個不需要各種望遠鏡的全新的天文學領域；是天文學的一次革命性的重大變化；它將引領我們打開理解宇宙大爆炸、黑洞、中子星和其他難以採用傳統方法進行觀測到的天體類型的全新視野。

2016.2.13

GW150914雙黑洞合併圖

碰撞的過程到的引力波探測