  呃不對(duì)，動(dòng)物們干啥說(shuō)不準(zhǔn)，但人們的確是到了聚在一起，交流感悟的時(shí)候。老朋友交流人生歷程，御宅族交流本月新番，三姑六婆交流你的一切，而你只想過(guò)年了好好歇著，頂多跟三五知己看看電影什么的。 重溫經(jīng)典愛(ài)情片是個(gè)不錯(cuò)的選擇↓
看著這一幕歡快的雙人舞，我忍不住長(zhǎng)嘆一聲：哎，你們從這一幕看出了什么？ ……  “哈？你在說(shuō)神馬？” 杰克和露絲之所以會(huì)互相吸引，除了因?yàn)閻?ài)，還因?yàn)橘|(zhì)量。在愛(ài)因斯坦的描述中，有質(zhì)量的物體會(huì)使它周圍的時(shí)空發(fā)生扭曲，物體的質(zhì)量越大，時(shí)空就扭曲得越厲害。 如果你將時(shí)空看成一張大橡膠膜，然后往上面放一個(gè)露絲，那么她的質(zhì)量就會(huì)把橡膠膜往下壓，在旁近放一個(gè)杰克，你可以看到這個(gè)景象：
可以看到，露絲球和杰克球分別造成的時(shí)空彎曲，讓他們倆逐漸滾向了對(duì)方并最終親密接觸（哪里不對(duì)）。當(dāng)然了，被另一半問(wèn)到“你為什么被我吸引”時(shí)，如果你回答“因?yàn)槟阒亍?，后果自?fù)。 太陽(yáng)和地球的關(guān)系也是一樣道理，只不過(guò)太陽(yáng)的比地球質(zhì)量大得多，造成的時(shí)空扭曲也更大，所以看上去，地球在繞著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)——按照廣義相對(duì)論的思路，“引力”只是時(shí)空扭曲必然帶來(lái)的現(xiàn)象。
那么，當(dāng)有質(zhì)量的杰克和有質(zhì)量的露絲加速跳起轉(zhuǎn)圈舞的時(shí)候，他們周圍的時(shí)空會(huì)發(fā)生什么？
起伏，震顫，波浪……你可以用各種各樣的詞形容你在上圖看到的“時(shí)空擾動(dòng)”。這種變化以波的形式向外傳播，用聽(tīng)起來(lái)很厲害的說(shuō)法講，就是“引力波”，換文藝點(diǎn)的說(shuō)法講，就是“時(shí)空的漣漪”。 杰克和露絲跳舞所引起的那點(diǎn)漣漪更多只能被春心萌動(dòng)的觀眾所感知，但質(zhì)量巨大的系統(tǒng)，比如兩個(gè)黑洞或兩顆中子星快速相互繞轉(zhuǎn)，它們產(chǎn)生的漣漪可就厲害了——像這種致密雙星并合過(guò)程，所釋放的能量，遠(yuǎn)超太陽(yáng)一生釋放的能量總和。而這么大的能量，通常會(huì)集中在最后一秒內(nèi)爆發(fā)——那一刻，整個(gè)宇宙中所有別的天體釋放功率的總和都及不上它，怕不怕！  兩顆中子星的并合過(guò)程。圖片來(lái)源：Our Universe Visualized 別傷心。盡管引力波不是什么好料理，但它卻有著令人驚嘆的能力和性質(zhì)——拜托，人家可是能以光速傳播時(shí)空擾動(dòng)的誒！ 如果一串引力波迎面通過(guò)你，那么變高變瘦對(duì)于你而言將不再是夢(mèng)想。當(dāng)然，變矮變胖也一樣。在引力波的作用下，你會(huì)不斷發(fā)生拉伸和壓縮，你會(huì)先變高變瘦，再變矮變胖，再變高變瘦，再變矮變胖……像是這樣：
當(dāng)然，真實(shí)的變形幅度并沒(méi)有那么大（幸虧如此）。即便是致密雙星并合時(shí)產(chǎn)生的引力波，除非你就站在引力波波源附近，否則引力波只會(huì)把你的身高改變一丁點(diǎn)——大約是一個(gè)氫原子的100億分之一。 除了這種扭曲時(shí)空的能力，引力波還有一個(gè)特別令人著迷的特點(diǎn)：高冷。  假設(shè)有一列引力波以平面波形式傳播，那么它能在真空的宇宙空間中不帶任何衰減地永遠(yuǎn)傳遞下去。只有碰到物質(zhì)，比如半路迎來(lái)了一個(gè)你，它才可能會(huì)和你發(fā)生相互作用，而你能吸收一部分引力波攜帶的能量。 然而，這樣的相互作用實(shí)在是少得可憐。即便你能在宇宙中堆滿番茄醬，想要吸收掉1%的引力波能量，你的番茄醬墻需要大概 400萬(wàn)億光年那么厚——可觀測(cè)宇宙的尺度是1000億光年左右，因此你需要4000個(gè)滿是番茄醬的宇宙才能削弱引力波1%的能量。順便提一下，這個(gè)過(guò)程需要花上400萬(wàn)億年，而從現(xiàn)今的模型推測(cè)，我們的宇宙年齡在138億年左右。
也正因如此，引力波可以被用作窺探宇宙深處的工具。正如露絲的裙裾甩出的香水味可以透露她不屬于三等艙，引力波也攜帶著關(guān)于波源的信息。如果人類能夠截獲這些信息，我們將能夠利用全新的手段來(lái)研究黑洞、中子星等各種天體，弄清發(fā)生在宇宙彼端的故事。 更重要的是，由于有幾乎不衰減的特性，它能幫我們洞悉整個(gè)宇宙的源頭——不是某段愛(ài)情，某種生物，某顆行星或者某個(gè)星系的起源，而是整個(gè)宇宙的起源。引力波的存在一經(jīng)證實(shí)，我們將以前所未有的方式看到塑造宇宙的力量。而一旦尋找到合適的引力波，人們將能夠?yàn)榇蟊ɡ碚摵陀钪媾蛎浝碚撜业接欣淖C據(jù)。
想象一下在過(guò)去的所有時(shí)光，你對(duì)世界的理解都來(lái)源于道聽(tīng)途說(shuō)，直到有一天，你能睜開(kāi)雙眼閱讀關(guān)于宇宙的故事。對(duì)人類而言，獲得探測(cè)引力波的能力，就相當(dāng)于睜開(kāi)了這樣一雙眼睛。 愛(ài)因斯坦預(yù)言引力波存在已經(jīng)是100年前的事了，但直到現(xiàn)在，科學(xué)家們搜集到的引力波存在的證據(jù)依然只是間接的。畢竟，直接探測(cè)引力波太難了——將剛剛用身高打的比方換成技術(shù)要求，這意味著引力波探測(cè)器要能夠檢測(cè)到約10^-21量級(jí)的長(zhǎng)度變化。 這，能辦到嗎？ 能倒是能。 20世紀(jì)90年代，麻省理工學(xué)院的萊納·魏斯（Rainer Weiss）想到了一個(gè)絕妙的點(diǎn)子：用激光的干涉來(lái)測(cè)量引力波。 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，一束激光在經(jīng)過(guò)一個(gè)半透鏡后朝向兩個(gè)互相垂直的方向前進(jìn)，各自撞上一面反射鏡，反射回來(lái)重新匯聚。理論上，只要反射鏡與半透鏡的距離精確一致，匯聚后的激光能夠由于干涉而相互抵消。而一旦引力波經(jīng)過(guò)，激光走過(guò)的距離被改變，干涉現(xiàn)象也會(huì)因此發(fā)生變化，從而被觀測(cè)到。 這個(gè)點(diǎn)子后來(lái)受到了加州理工的著名引力學(xué)家基普·索恩（Kip S. Thorne）的關(guān)注（對(duì)，這老人家就是《星際穿越》的科學(xué)顧問(wèn)兼制片人）。他發(fā)現(xiàn)在魏斯的方法上加些合理的改進(jìn)，可能行得通。 于是，加州理工和麻省理工開(kāi)展合作，主導(dǎo)了兩個(gè)激光干涉引力波觀測(cè)臺(tái)（LIGO）的建設(shè)。LIGO呈現(xiàn)巨大的L形，每一邊都有4千米長(zhǎng)。
正常情況下，LIGO發(fā)出的激光相互抵消，探測(cè)器將接收不到光信號(hào)；但如果引力波經(jīng)過(guò)，情況就有所區(qū)別了：
無(wú)論時(shí)空如何變化，光速是不變的。如果激光跑過(guò)的路程被引力波拉長(zhǎng)或者壓短，激光通過(guò)該邊的時(shí)長(zhǎng)就會(huì)發(fā)生變化，從而影響探測(cè)器的結(jié)果。理論上，測(cè)量到了這些變化，科學(xué)家們就相當(dāng)于測(cè)量到了引力波。 果然是好點(diǎn)子對(duì)吧？ 除了一點(diǎn)——從在附近疾馳而過(guò)的汽車到極其微弱的地震活動(dòng)，從儀器的輕微起伏到人為的信號(hào)改動(dòng)，多得要命的各色因素都可以成為影響引力波測(cè)量的噪音。這就好比要在極端嘈雜的聚餐現(xiàn)在分辨出用牙簽在杯子上敲出的莫爾斯密碼一樣艱難——這也是為什么要在相隔甚遠(yuǎn)的兩地各設(shè)置一臺(tái)LIGO，兩邊同時(shí)觀測(cè)到一致的數(shù)據(jù)，才更能說(shuō)明問(wèn)題。 只是這樣還不夠。在LIGO和意大利的VIRGO引力波探測(cè)器進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)前，一個(gè)3人的秘密小組成立，專門負(fù)責(zé)“搞破壞”：他們有可能會(huì)在觀測(cè)數(shù)據(jù)中人為地注入信號(hào)。 由于，所有其他成員都對(duì)這一過(guò)程一無(wú)所知，這種被稱為“盲注”的手段能有效防止LIGO擺烏龍。2010年9月16日，LIGO和VIRGO同時(shí)探測(cè)到一個(gè)信號(hào)，方向大概來(lái)自大犬座。這個(gè)代號(hào)為“大犬事件”的消息立即讓LIGO科學(xué)合作組織大為振奮。大量的研究工作圍繞大犬事件展開(kāi)，論文有待發(fā)表，新聞稿箭在弦上。 然后，盲注3人組出來(lái)宣布對(duì)此信號(hào)負(fù)責(zé)：大犬事件的數(shù)據(jù)，是他們?nèi)藶榉懦龅募傩盘?hào)。
盡管這種讓全人類空歡喜的事情簡(jiǎn)直是欺騙感情消耗資源浪費(fèi)時(shí)間，但這都是為了最大限度地保持小心謹(jǐn)慎。一旦LIGO宣布引力波的探測(cè)結(jié)果，將沒(méi)有任何辦法檢驗(yàn)這一論斷。所以，LIGO科學(xué)合作組織必須采取一切手段來(lái)確認(rèn)結(jié)果的真實(shí)性。至今的所有失望，都是為了在真正抓住引力波的那一天能夠足夠自信。 那么，除卻各方面的干擾，LIGO探測(cè)到真正的引力波的機(jī)會(huì)有多大？由于LIGO的設(shè)置所滿足的測(cè)量要求僅能用于測(cè)量鄰近星系里中子星或黑洞并合產(chǎn)生的引力波，它每年能遇見(jiàn)的引力波事件大概在1/10000件到1件之間。也就是說(shuō)，在想方設(shè)法排除假信號(hào)之后，研究者還需要足夠好的運(yùn)氣才能等到引力波的降臨。 運(yùn)氣？對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)，那種東西可沒(méi)技術(shù)靠得住。在停止運(yùn)行、升級(jí)許多新技術(shù)以后，更新的高新激光干涉引力波天文臺(tái)（aLIGO）去年正式投入運(yùn)行。跟LIGO相比，aLIGO變得更加靈敏。在重新運(yùn)行幾個(gè)月后，LIGO科學(xué)合作組織有了新的消息——  在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)召開(kāi)的發(fā)布會(huì)上，LIGO研究者公布了aLIGO在2015年9月發(fā)現(xiàn)了一個(gè)引力波信號(hào)。這個(gè)信號(hào)源自兩個(gè)巨大的黑洞，他們經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的繞轉(zhuǎn)，融合，通過(guò)引力波輻射能量，越轉(zhuǎn)越近，最終并合形成更大的黑洞。經(jīng)過(guò)10億年的漫長(zhǎng)旅行，這次并合產(chǎn)生的一小部分引力波信號(hào)抵達(dá)了地球。LIGO在15年9月14日探測(cè)到了，最終將它命名為GW150914。
劉慈欣的小說(shuō)《朝聞道》中，掌握宇宙終極理論的外星文明“排險(xiǎn)者”造訪了地球。在那個(gè)世界里，尋找終極理論所必須的能量，將導(dǎo)致我們所在的宇宙毀滅；而為了多重宇宙的安全，他們又不能直接把終極理論的細(xì)節(jié)告訴人類。但是一位地球物理學(xué)家提出，可以繞過(guò)這個(gè)所謂的知識(shí)密封準(zhǔn)則： 事就這樣成了。他們用自己的生命，換取了短暫而永恒的領(lǐng)悟。 如果終極理論必將導(dǎo)致毀滅，那么排險(xiǎn)者是如何得到它的呢？在小說(shuō)中，答案就是引力波。上一個(gè)宇宙尋找終極理論的努力引發(fā)了真空衰變，但是在最后關(guān)頭，他們將獲取到的知識(shí)編碼在引力波之中，發(fā)射了出去。排險(xiǎn)者是我們宇宙中的第一個(gè)文明，也是唯一一個(gè)在引力波衰減到不可讀之前破譯了它的文明。 而現(xiàn)實(shí)中，站在排險(xiǎn)者位置上的，也許其實(shí)是我們?nèi)祟悺?/p> 我們大概不會(huì)在真正的引力波里找到現(xiàn)成的終極理論。但是它所包含的信息，依然是創(chuàng)世的瞬間、黑洞的碰撞以及所有其他偉大的宇宙事件，甚至蘊(yùn)含著引力的本質(zhì)。而就像所有的信息一樣，它不會(huì)永遠(yuǎn)存在下去。強(qiáng)大如LIGO的探測(cè)器，也只能探測(cè)到臨近的中子星和黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波蛛絲馬跡；真正的宇宙歷史性事件還在逐漸遠(yuǎn)去，引力波還在逐漸衰弱，宇宙還在逐漸膨脹，檢測(cè)并理解它的難度只會(huì)越來(lái)越大。 引力波和物質(zhì)之間的相互作用極度微弱，因此它的衰減也是極度緩慢的?？墒?，我們并不知道宇宙產(chǎn)生一個(gè)文明需要多久。劉慈欣在《三體》中用黑暗森林理論來(lái)解釋費(fèi)米悖論——為什么我們看不到外星人，但是現(xiàn)實(shí)中，有兩個(gè)更加簡(jiǎn)單的可能解釋：第一，智慧文明的誕生也許極端困難、極端罕見(jiàn)；第二，我們有可能是宇宙間第一批（甚至第一個(gè)）文明。 在這個(gè)意義上，我們也許將是最初和最后的人。宇宙并不在乎其間發(fā)生了什么，它自會(huì)按照自己的規(guī)律運(yùn)行；而我們誕生在了一個(gè)幸運(yùn)的時(shí)刻，或許能在不久的將來(lái)目睹終極理論的誕生，甚至可能將是唯一親自見(jiàn)證這一瞬間的文明。宇宙最不可理解的事情在于它竟然是可以理解的，而倘若我們真的理解了它，那將何其有幸！朝聞道，夕死可矣；我們都將死去，但哪怕我們所創(chuàng)造的一切都將化為灰燼，我們依然能知道宇宙初生的那個(gè)黎明，和宇宙最終滅亡的那個(gè)夜晚。我們將憑知識(shí)超越時(shí)空——而今天，我們將在這條道路上邁出小小的又一步。 |
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