引力波：宇宙的波浪

作者：黎荔

北京時間10月16日22點，激光干涉引力波天文臺（LIGO）科學合作組織和處女座引力波探測器（Virgo）合作組織聯合召開發佈會，宣佈再次探測到時空的漣漪。

一個黑洞合併另一個黑洞，一箇中子星碰撞另一箇中子星，一個粒子轟擊另一個粒子，一個波經過另一個波，一個量子態糾纏另一個量子態存在……在浩瀚的宇宙舞臺，這是正在無窮無盡地發生的天體事件，但對於能力有限的人類而言，我們的科學家才第一次同時觀測到了引力波及其電磁對應體，以及科學家預言的巨新星現象。這是繼2015年9月以來，人類第五次探測到引力波。與之前被探測到的，來自雙黑洞合併的4個引力波信號不同，這次探測到的引力波信號GW170817來自1.3億光年外兩顆併合的中子星。

中子星是恆星演化末期形成的一類緻密天體，一小勺中子星物質重達10億噸。雖然它的半徑只有十幾公里，質量卻與太陽相當。中子星到底有多硬？其內部物質以何種狀態存在？這些一直是科學家感興趣的問題。在今年8月17日探測到的兩顆中子星併合中，科學家尚不清楚，最終是形成了更大質量的中子星，還是黑洞。但已知的是，新天體的質量約爲2.74倍太陽質量，而在這個過程中損失的質量，主要轉化成引力波和電磁波，輻射向宇宙各個方向。

引力波是愛因斯坦廣義相對論中的重要推論。時間和空間會在質量面前彎曲，時空在伸展和壓縮的過程中，會產生振動傳播開來，這些振動就是引力波。所謂引力，就是質量引起的時空扭曲的效應。地球和其它行星繞着太陽轉是因爲太陽周圍的時空彎曲了。引力波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。這個波浪速度之快，會形成強烈的渦流，會改變附近的時空狀態，其效應就像漣漪以光速在宇宙傳播。

過去數十年來許多跨國科學團隊都致力於找尋引力波存在證據，但引力波對於附近時空的衝擊因距離地球太遠，弱不可見，加深了觀測的難度。而現在，人類科學家不僅成功地五次探測到引力波，尤其首次探測到壯麗的雙中子星併合產生的引力波，而且直接找到了其光學對應體，也就是伴隨着合併過程的劇烈電磁輻射。引力波與電磁波的首次聯合觀測，正式標誌着天文物理掀開多信使時代的新一頁，也即引力波和傳統電磁波結合的多信息觀測天文學的未來。

引力波開闢了一扇觀察宇宙的新的窗口。在這個新窗口中，我們通過引力相互作用中的引力波來觀察宇宙中最猛烈的極端事件：兩個黑洞併合、碰撞；中子星旋轉、併合；超新星核塌縮等。這是一個新的天文學的開始。未來，大量的黑洞，或者中子星合併事件將被發現，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。引力波的確認也爲人們研究宇宙大爆炸最初時刻帶來了曙光，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。引力波真正吸引人的是它的未來，幫助人類探知更本質的天體高能物理現象。此外，引力波也給我們提供了了解宇宙的另外一個全新維度。如果說之前僅僅是看到的宇宙的圖景，卻沒有聲音。那麼，引力波給探測宇宙的方式上增添了一個聲音的維度，豐富了我們探索宇宙的方式。人類從此面對宇宙不再是聾子了！

引力波天文時代到來了。在這之前，我們關於宇宙的信息來自宇宙中傳來的電磁波和高能粒子，而引力波帶來了主宰宇宙的引力的直接信息。我們正站在這個偉大的刻度之上。歷史就這樣垂顧了我們，令我們成爲轉折點的守望者。

引力波有望爲人類描繪一幅全新的宇宙圖像，有望對天文學和宇宙學帶來深遠的影響。中國正在積極參與到這個領域的前沿探索。目前我國主要的大型引力波探測項目是中國科學院從2008年開始發起的“太極計劃”，和中山大學的“天琴計劃”。此時此刻，中國的慧眼HXMT天文衛星正在太空翱翔，時刻準備着“目睹”引力波發出的時候天體所發出的X射線和伽馬射線！在2017年8月17日的雙中子星併合引力波事件中，慧眼HXMT天文衛星就進行了成功監測，爲全面理解該引力波事件和引力波閃的物理機制做出了重要貢獻。

肯定有人說，引力波這玩意兒到底能幹啥？實話實說，這事確實和作爲吃瓜羣衆的我們，沒有直接關係，如果確實要有什麼應用價值，不妨再活500年試試看？記得今天上研究生課的時候，我和學生大談人類的“向上意志”，一個來自於心理學家阿德勒的概念。人類的一切行爲都受“向上意志”支配，這種爲卓越而進行的奮鬥是內在的，不僅在個體的水平上，而且在一切文化的歷史上同樣進行着這樣的奮鬥。“向上意志”可以解釋人類在走出黑森林的三百萬年來，爲何屢敗屢戰，不斷糾錯，路漫漫其修遠兮，上下求索、開據自由和生活。之所以人類的征程是星辰大海，因爲有一種向上的內驅力，它引導着人和種族永遠不斷進步。

如果浩翰的宇宙是一個無邊地際的大海，人類正在揚帆出發。遠方，每一條波紋，每一滴水聲，都讓人心醉。是風在迅速展開，是浪在暗中涌起，我們已在海岸線徘徊久了，身體裡的日子也排列成波浪，如今游魚要躍入水中了，它們要把自己的身體融和在一波又一波之中，溶入無窮搖盪的宇宙的波浪。