《科學》雜誌上週三消息：美國東部時間8月14日17時10分39秒，美國東、西海岸LIGO和意大利Virgo三個設備同時探測到一個全新的引力波脈衝，“約9億光年外，高度疑似黑洞和中子星螺旋碰撞，併產生了時空漣漪”，即引力波。

圖片來源：Science

引力波是100多年前愛因斯坦基於廣義相對論提出的物理猜想，科學家們藉助aLIGO(LIGO升級版)、Virgo等設備已多次證實了引力波的存在，而此次發現也只是諸多證據中的一個。那又是因什麼樣的亮點，再一次引起業界高度關注呢？

本文分三個章節：

第一節，通過類比，用更通俗語言粗淺講述“什麼是引力波”；

第二節，簡要說明“舉世界之力探究引力波，對人類有何價值和意義”；

第三節，本次引力波事件，區別何在？

專業人士及熟知引力波的同學，可以跳過前兩節。

一、聽說過“引力波”，但不知道是個啥？

引力波是一種時空漣漪，如同水面漣漪稱之為水波一樣，是能量向外發散的一種方式，只是引力波是由引力引起。

當然，不是說只要有引力就一定有引力波。單有引力只會出現時空彎曲，引力波則須有質量的物體在引力作用下做非勻變速運動。

比如雙中子星合併，兩者距離減小的過程中使得加速度逐漸增大，相互繞轉頻率升高。該系統下的時空彎曲無法保持穩定狀態，於是產生了時空漣漪。

這一過程同樣可以類比水波：單有石子和水面不一定有水波，必須是從石子接觸水面那一刻起，至完全沒入水中這一段時間內，兩者非均勻接觸過程才會產生水波。反之亦然。

引力波的大小取決於物體質量和繞轉頻率，因而只有像中子星、黑洞等體積小而質量大的天體，其合併過程產生的引力波才相對容易被探測到。

不過由於引力波源距離地球通常太過遙遠，等到達地球時其造成的形變尺寸數量級往往不足10^-21m，而原子直徑數量級一般才10^-10m(質子/電子直徑約為10^-15m)，因此要想探測到引力波依舊非常困難。

二、探測引力波，到底有何意義？

1、探究天體內部結構

引力波是時空的形變感應，傳播不需要藉助任何物質，相對於電磁波其還有更獨特優勢：引力波幾乎不會被物質(原子)干擾和吸收，比中微子具有更強的空間穿透能力，波源位置也更容易準確判斷。

幽靈粒子-中微子

由於任何原子都可以發射和吸收電磁波，因而即使是劇烈宇宙事件發出的強電磁波，除去空間發散導致強度削弱外，在傳播過程中還會被途徑原子干擾、散射、吸收。這使得到在地面接收到的電磁信號極度微弱，極易被其他宇宙噪聲湮沒，而且還很難判斷準確(方向)來源。

由於電磁波的穿透力相對不足，故而人們對遙遠天體的研究，往往只能侷限於星體表面。藉助引力波，天文學家可以獲得天體內部結構及活動數據，例如黑洞、超新星及恆星演化等。

2、揭開宇宙起源之謎

另外，基於宇宙起源說之一的“奇點大爆炸”理論，“嬰兒宇宙”時期極高密度的物質對電磁波不透明，而引力波的強穿透力則不受此限制。如果能探測到“原初引力波”，不僅可以證實“大爆炸”理論，還有助於人們對“嬰兒宇宙”的瞭解。

當前，科學家們對早期宇宙的研究僅限於微波背景輻射(CMB)。但CMB只能反映宇宙誕生38萬年之後的情況，且波段非常有限，在宇宙空間具有各自同性，不能給人們帶來足夠及更早的宇宙信息。

原初引力波，可以稱之為“宇宙原始化石”。

3、證實蟲洞及白洞的存在

根據愛因斯坦廣義相對論，引力及引力場的本質是時空彎曲，彎曲時空的曲率1/r(r為天體半徑)與r成反比。

那麼，黑洞的實體半徑r相對於塌縮前原始恆星的半徑R，r的取值可以近似為0，所以黑洞曲率(引力場)則趨近於∞，以致光都無法逃逸。

如果說“大爆炸”之前的奇點是一個超級質量黑洞，其引力場無限大，那宇宙中必然還存在引力場為0的區域——蟲洞，以及引力場為負值、專門負責物質外流(向外噴射)的區域——白洞。

蟲洞是連接黑洞與白洞的橋樑，也是科幻系列中實現時空穿越的通道。蟲洞、白洞的引力場與常規物質引力場有著明顯區別，對於不會被常規物質吸收的引力場，途徑這些區域時會被顯著稀釋或抵消削弱。

如果能探測到此類異常引力波信號，那不僅能證實蟲洞、白洞的存在，還可以幫助人類準確找到它們的位置。那麼，藉助蟲洞實現時空穿越也就不在是科幻。

4、尋找暗物質和暗能量

暗物質和暗能量雖然尚未被證實，但科學家們相信它的存在。

而暗物質和暗能量除了具有引力特性外，人類似乎再也找不到更多的切入點進行探測。因而，引力波也成為目前探測暗物質和暗能量的唯一辦法。

三、此次引力波事件，又有何不同之處？

以上引力波的探究意義和應用價值似乎還有點遙遠，人類或許得上百年甚至幾千年的努力付出。但任何一項成功，都離不開前期的基礎探索。

自2015年12月人類首次探測到引力波以來，期間又探測到十多次引力波事件及至少22次“候選”引力波事件。遺憾的是，這些事件均出自“黑洞-黑洞”和“中子星-中子星”合併。

緻密度類同的天體合併，引力波信號差異化不足，波源持續週期較短，我們只能知道事件是否發生，很難獲得有關此類天體的更多數據。

黑洞質量一般會大於5個太陽質量，中子星一般在1~3個太陽質量。此次事件的兩個天體，質量剛好滿足這一數值區間，因而“黑洞-中子星”碰撞的可能性極大。

而如果確實為“黑洞-中子星”事件，那在碰撞之前，黑洞會剝洋蔥一樣逐層“解剖”中子星。因此，除了能為引力波猜想又添一新例證外，還有助於人們瞭解緻密中子星的內部構成，這正是科學家們所期待的。

圖片來源：LIGO (有編輯)

本文由“一週刊”首創，部分圖片來源於網絡(有編輯)，首發於今日頭條，轉載請備註。

番後篇：

基於引力波的研究價值和應用前景，中國在此領域也將積極參與探測，先後制定了“太極計劃”、“天琴計劃”和“阿里實驗計劃”。

其中，“太極計劃”是於2033年前後，在太空架設三枚探測衛星，三顆衛星構成間距300萬公里的等邊三角形。

參考來源：

1、Science：Scientists may have spotted a black hole and a neutron star colliding，Aug. 16, 2019.

2、Annual Reviews：Gravitational Wave Astronomy，Volume 54, 2004

3、人民網：中科院提出引力波探測“空間太極計劃”，2016年02月17日。