引力波斬獲諾獎 人類離星際穿越還有多遠？

引力波從 2016 年發現開始就呼聲很高。現在得了諾貝爾獎，應該是得獎速度最快的工作之一了。

引力波是廣義相對論的直接預言之一。廣義相對論告訴我們，物質的引力會造成周圍空間的彎曲。那麼，引力波就是空間彎曲的動態傳播。一個靜止的天體只能造成空間的靜態彎曲，正如靜止的電子只能產生靜電場。當兩個天體互相繞轉的時候，它們的引力對空間的扭曲是隨時間變化的。就好像有人在水池中央攪動水面，水面的變化會以波動的形式傳向四方。類似的，相互繞轉天體造成的空間變化也會向各個方向傳播開來。這種由引力場變化造成的空間波動就是引力波。

當引力波穿過地球，地球附近的空間回隨著引力波的變化而發生周期性的彎曲變形。但是這種空間變化非常微弱，對地球上物體的影響微乎其微。目前，引力波探測器探測到的事件都是雙黑洞合併。如果兩個 10 太陽質量的雙黑洞合併，其發出的引力波掃過 LIGO 探測器四公里的長臂，造成的改變只有 10^-18 米量級。也就是說，在 4 公里的長度上，引力波造成的長度改變只有質子直徑的千分之一。

目前看到的引力波現象都是雙黑洞繞轉合併產生的，人們探測到的是黑洞合併的最後時刻。2016 年的第一起引力波事件是美國的 2 組 LIGO 探測器發現的，而後 LIGO 又繼續發現了三次次引力波現象。最後一次探測，歐洲的 VIRGO 探測器也加入了探測。隨著探測器的增加，引力波發射源的定位也變得更加細緻。

引力波探測從科學上講，有數重重大意義。首先是完成了愛因斯坦廣義相對論的最後一塊拼圖。這好像 Higgs 粒子是標準模型預言的最後一種粒子。從這個意義上，引力波發現和確認本身就夠得上諾貝爾獎。

其次，引力波開闢了一扇觀察宇宙的新的窗口。比如，黑洞本身是不發光的。此前，人們對黑洞的研究要麼藉助物質落入黑洞前發出的光來研究黑洞的性質，要麼藉助其他天體圍繞黑洞轉動研究黑洞的質量。但是通過引力波就可以直接研究黑洞。當黑洞合併時，引力波是從非常靠近黑洞視界面的地方發出來的，黑洞自己直接發出的語音。通過引力波信號，人們就可以研究研究黑洞合併前後的質量，自旋等重要性質。未來，大量的黑洞，或者中子星合併事件被發現，人們還可以用它們的統計信息研究宇宙中的恆星形成歷史。

引力波的確認也為人們研究宇宙大爆炸最初時刻帶來了曙光。目前人們看到的宇宙中最早的光，來自於宇宙誕生後 38 萬年。理論上，此前的宇宙是不透明的，因此人類不可能觀測到比這個時刻更早的宇宙狀態。但更早期的宇宙對引力波依然是透明的，宇宙暴漲時期發出的原初引力波可能帶給我們宇宙初生時真正的信息。當然，目前的引力波探測器 LIGO, VIRGO 都無法探測到宇宙原初引力波。但新一代的引力波探測器正在建造和設計，這些項目能夠獲得資助和支持很大程度上得益於 LIGO 發現的激勵。

引力波真正吸引人的是它的未來，尤其是，在研究黑洞合併時的空間幾何劇烈的變化時，是否能夠探知更本質的物理現象。如霍金指出的，目前對黑洞合併引力波的觀測，已經可以形成對他著名」黑洞面積定理」的粗略檢驗。目前正在建造中的新一代引力波探測器是否能夠對引力物理和量子力學的結合給出新的觀測證據？過去兩年有一些文章已經在這方面給出了一些新穎的想法。

有趣的是，本次引力波諾貝爾獎沒有提及黑洞。這意味著黑洞理論本身更佳可能在未來獨自獲得一次諾貝爾獎。

在天文學領域，和引力波一樣重量級的研究還有一些，比如：暗物質的存在，暴漲理論，星系形成理論，黑洞理論，但是引力波相比這些研究似乎有著更佳明確的排他性。這種乾脆利落的發現，往往是最容易獲得諾貝爾獎青睞的。