發現引力波憑什麼獲諾貝爾物理學獎？引力波究竟是什麼？

06-18

2017年度諾貝爾物理學獎今天在瑞典授予雷納·韋斯、基普·索恩和巴里·巴里什三位美國物理學家，以表彰他們在引力波研究方面的貢獻，三人都在美國激光干涉引力波天文台（LIGO）工作。那麼引力波究竟是什麼？發現引力波的意義究竟有多大？為什麼發現引力波可以獲得諾貝爾物理學獎？

宇宙可以看成這樣一種存在，時間和空間是基底，物質編織在基底上；或者說時間空間是舞台，而物質是演員，在舞台上演繹我們日常所見的精彩事件。物質通過電磁波和引力波不斷輻射能量，只是引力波與物質彼此之間的相互作用非常微弱，所以雖然愛因斯坦早就預言了引力波的存在，但它不像電磁波這樣容易為我們所感知，所以科學家們一直不能確認它的存在。

那麼引力波究竟是什麼呢？電磁波是物質之間相互交換能量和動量的現象，而引力波是物質和時空之間交換能量的現象，因此電磁波是物質引發物質的形變，引力波是物質引發時空的形變，是物質對它存在的時空本身的作用。只是我們平時所見的物質質量太小，難以引發可觀測到的時空扭曲現象，就像演員在舞台上表演，我們能夠看到的是演員的揮手投足——電磁波，看不到的是演員引發的舞台形變——引力波（比喻，非真的引力波）。即使是科學家們首次探測到的14億光年外，兩個質量分別為29和36倍太陽質量的黑洞合併，損失了3個太陽質量形成62倍太陽質量的新黑洞，其攪動時空所引發的引力波，也僅把地球上長達4公里的LIGO懸臂扭曲了不到一個質子直徑萬分之一的長度。由此可見，要發現引力波是何等的困難！

那為什麼發現了引力波就可以獲得諾貝爾獎呢？物理學的第一次革命是牛頓發現萬有引力，奠定了經典物理學的基礎，愛因斯坦的廣義相對論則重新定義了我們的時空觀，幾乎將宏觀世界的所有秘密都呈現在我們眼前；第二次革命是電子的發現，奠定了量子力學的基礎，科學家們在微觀尺度的不斷探索，創生了現代化學、生物學等幾乎所有現代科學學科，以及我們現代生活所需的所有物質成果。

廣義相對論描述引力，量子力學描述其它三種力但不包括引力，當科學家們試圖將二者結合起來充滿信心地揭示宇宙的終極奧秘時，卻沮喪地發現它們根本無法相容，在時空的最小尺度上引發了驚濤駭浪，「廣義相對論的方程無法平息量子泡沫的喧囂」（布賴恩·格林）。引力波的發現，讓我們第一次掌握了直接探測時空變形的工具，黑洞、暗物質、暗能量，這些無法用電磁波「看見」的東西，很可能會呈現在引力波的精彩世界裡，和探測物質形態的工具電磁波結合起來，一個包含了所有宇宙時空和物質的量子引力世界正在向我們走來，愛因斯坦窮其一生追逐的萬有理論很可能會在不久的將來成為現實。

所以，引力波的發現獲得諾貝爾獎，不僅眾望所歸，或許也是諾貝爾獎歷史上分量最重的一次之一。