當情人節(jié)裝上引力波

文/杜篆之

早在引力波被實驗證實之前，就已經(jīng)是各種科幻作品里的重要角色。

好萊塢大片《星際穿越》里，馬修·麥康納雖然被禁閉在黑洞時空里，仍然可以利用引力波給女兒發(fā)暗號。中國當前最紅的科幻小說《三體》里，引力波成了宇宙黑暗森林里燈塔般的強力信號。

你和宇宙的起源

今年北京時間大年初四的晚上，引力波走出了科學和科幻的城池，成了全世界的談資。不知道引力波，你都不好意思出門。

社會大眾的物理知識水平，想要搞清楚引力波是什么，不是一件容易的事。好在人類有類比的認知能力，用一些容易理解的東西做藥引子，多少能消化一些貌似高深的科學道理。

那我們就從宇宙起源說起?！拔覐哪睦飦?？”是每個人都能明白的話題。這個問題一路問到底，就成了“宇宙從哪里來？”

當代物理學對此有一個被公認的理論，那就是大爆炸理論。這個理論認為，宇宙起源于一個奇點。奇點是個不容易理解的概念，可以簡單理解為一個點，一個非常非常小，小到?jīng)]有體積的點，從這個點開始，發(fā)生了一次劇烈的爆炸，這次爆炸延續(xù)了大約150億年，形成了現(xiàn)在的宇宙。

要我說，這個宇宙誕生的理論毫無美感和人性可言。即便從想象力的角度來看，它和上帝創(chuàng)世、女媧造人等理論沒法比。宇宙大爆炸是一個冷冰冰的、機械的、枯燥無味的理論。然而，各種科學觀察和科學試驗都表明，到目前為止，這個理論非常完美地解釋了宇宙的起源。

可以這么說，宇宙的誕生就是無中生有。宇宙就是這么任性，這么不講理。作為人類，你跟誰講理去？

按照常人對“爆炸”這個詞的感覺，爆炸是一種毀滅；然而，對于宇宙來說，爆炸卻是一種新生。在爆炸中誕生的宇宙，誕生了各種夜空中看起來美輪美奐的星系，誕生了各種亮度不等的恒星，誕生了形態(tài)各異的行星，最后誕生了藍色的地球，誕生了智慧的人類。

為什么大爆炸沒有讓宇宙灰飛煙滅？因為有引力！

作為救世主的引力

引力的發(fā)現(xiàn)是人類的創(chuàng)舉。這要感謝天才的牛頓。根據(jù)傳說，也許還要感謝蘋果。自從牛頓提出萬有引力之后，宛如井底之蛙的人類，居然能夠通過計算洞悉未知天體的存在和軌道。這才是現(xiàn)代科學的真正起源。從此，星星不再是神靈的居所，也不是按照超自然意志運動的金色小釘子，它們不過是按照牛頓定律運動的一團物質(zhì)。

正是因為有引力的存在，宇宙大爆炸之后誕生的物質(zhì)才能夠就近組團，形成星系。否則的話，整個宇宙就是一團粉塵，或者一團氣體。用城里人能聽懂的話說就是：若非引力，宇宙就全是霧霾。

所以說，引力才是救世主。正是引力的存在，才把宇宙從霧霾的灰暗圖景中拯救出來。那么，引力波又是什么東西？

在牛頓的物理世界里，是沒有引力波的。物體之間的引力可以瞬間跨越全宇宙。任何一個人，他的引力對全宇宙瞬間生效。在地球人看來，這完全符合他的生活經(jīng)驗。

突破生活經(jīng)驗需要超強的智慧。所謂天才就是這樣的人。所以，愛因斯坦被稱為天才。愛老爺子以相對論聞名世界。普羅大眾也許并不知道，相對論其實有兩個：一個狹義相對論，一個廣義相對論。這是完全不同的兩個理論。

狹義相對論最重要的是，提出了光速不變原理。這不是本文講的重點，所以略去。廣義相對論探討的主要就是引力問題。

愛因斯坦的天才就在于洞察到引力的秘密。他說，引力的傳播也是需要時間的，而且引力傳播速度是光速。

這再一次證明了，時間是世界上最寶貴的東西。就連引力這個救世主都需要它。寫到這里，不由得想到了一句著名的解說詞，“留給中國隊的時間不多了”。

既然任何一個物體都會產(chǎn)生引力，而引力又會以光速傳播；那么只要這個物體動起來，引力的傳播就會變化，變化的引力傳播呈現(xiàn)出波動的特性，這就是引力波。（引力波還牽扯時空彎曲的概念，在此略去。）

換句話說，你的身體產(chǎn)生的那一點微弱的引力，需要150億年才能傳遍全宇宙。這是不是讓你覺得人類很渺??？別悲觀，即便偉大如太陽，它也需要這么多時間。

證據(jù)、證據(jù)，還是證據(jù)

科學研究有時候就是個黑箱游戲。你知道箱子里有東西，但你就是打不開箱子，不知道里面具體是什么玩意。引力波就是裝在宇宙黑箱里的這么個東西。也可以說它像穿上隱身衣的哈利波特，或者帶上魔戒的佛羅多。盡管你可能知道它在那里，但你就是看不見。

人的天性就是對不能直接看見的東西有懷疑。比如說品德、理想之類，引力波也在其列。

自從愛因斯坦的廣義相對論預言了引力波的存在之后，當今全世界的物理學家都相信它存在；但就是沒找到直接證據(jù)。所以，美國人花了大把的銀子上馬LIGO項目，就是為了找到引力波存在的確切證據(jù)。

科學畢竟是講究實證的。想當年，楊振寧和李政道發(fā)現(xiàn)了弱作用中宇稱不守恒，立即震驚科學界?？墒?，讓他們名揚四海的最大助力是吳健雄的試驗，這才證明了他們是對的。

更早的愛因斯坦也是一樣。他的狹義相對論提出后，曾經(jīng)也被認為是科學怪譚。虧得天文學家愛丁頓遠征非洲觀察日食，這才讓相對論得到科學界的廣泛認可。

總之一句話：無證據(jù)，不科學。這和“捉賊拿贓”的道理是一樣的。引力波就面臨這樣的困境：捉了賊，沒拿到贓。

為什么引力波那么難找，因為它太小了。用大海撈針都不足以形容這個科學工程的難度。在相關報道中，有媒體用“愛因斯坦都不敢想象”這樣的標題。是的，愛因斯坦那會還沒預料到激光技術(shù)會發(fā)展成現(xiàn)在這樣。而這次“捉賊拿臟”靠的就是激光技術(shù)。

3個太陽的“贓物”

過去幾年，曾有報道說某實驗室找到了引力波存在的證據(jù)，但后來都被證實為烏龍事件。

這次，科學家們成功了。美國科學界的“警察”們說，我們拿到引力波的“贓物”了。說是贓物，其實非常貼切。贓物，不就是丟了的東西么。這次測到的，正是丟失的質(zhì)量，而且是很大的質(zhì)量，足有3個太陽那么大。

情況是這樣的，有兩個巨大的天體，天文學家一般稱之為黑洞；其中一個的質(zhì)量是太陽質(zhì)量的29倍，另一個質(zhì)量是太陽質(zhì)量的36倍，它倆轉(zhuǎn)著轉(zhuǎn)著就轉(zhuǎn)成一個大黑洞，合并成一個62倍太陽質(zhì)量的黑洞。用小學數(shù)學加減法就可以知道，這倆星體“結(jié)合”前后損失了3個太陽質(zhì)量。

那么消失的這3個太陽的質(zhì)量去了哪里呢？愛因斯坦的質(zhì)能方程告訴人們，這些質(zhì)量轉(zhuǎn)化成能量了！而且這些能量被引力波釋放到宇宙當中了。

黑洞之所以被稱為黑洞，就是因為黑洞引力太大，以至于光線都跑不出來，所以看上去是黑的。但即便如此，引力波仍然能從黑洞的“魔掌”中跑出來，上演宇宙中的“肖申克救贖”。

這些引力波帶著能量經(jīng)過14億年的傳播，終于傳到了地球，盡管能量已經(jīng)非常微弱，但還是被LIGO項目的超強激光設備捕獲了！盡管得到的信號也非常微弱，但這就是引力波存在的證據(jù)。這次的實驗器材，大大提高了激光設備的功率，才獲得成功?？梢姡龃笫聵I(yè)，還是得要大能量。這也應了一句成語“工欲善其事，必先利其器”。

引力波在物理江湖中成名已久，但直到今天才顯真容，也是百聞不如一見。從理論預言到實證存在，那感覺就好像是抓住了開膛手杰克，一下子了結(jié)了一樁百年懸案。順便說一句，康薇爾的《開膛手杰克結(jié)案報告》寫得很有說服力。

其實，在美國科學界正式證實這項研究成果之前，科技界消息人士早已“謠言滿天飛”。實驗早就在去年9月就得到數(shù)據(jù)了，但一直不敢確認。成果確認經(jīng)過層層審核，也需要很多時間，最終得到承認。

最后說兩句，其一，如果引力波真的存在，這次找到的引力波信號應該不會是唯一，以后還會探測到更多的引力波信號。其二，既然引力波存在的證據(jù)找到了，下一個是不是該輪到傳說中的“上帝粒子”了？上帝粒子是什么鬼東西，有興趣的請自己搜吧。