引力波有什么用？

目前如果要评选科学界最前沿、最热门的研究领域，大多数人会把选票投给引力波，因为该领域的科学家两年内4次捕获来自黑洞的引力波、1次获得诺贝尔奖，并且该领域对所有科技发达国家的研究计划产生了影响。

又见引力波

值得庆幸的是，在刚刚过去的2017年10月，科学家又宣布，在8月17日，美国激光干涉仪引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，简称LIGO)和欧洲处女座引力波天文台（VIRGO）从两个相隔千里之地同时首次捕获到中子星碰撞所发出的引力波。这是科学家近一年多来第5次检测到引力波，前４次是黑洞合并所产生的引力波，而这次是中子星碰撞所发出的引力波。

中子星是恒星演化到末期，经由超新星爆炸之后，可能形成的产物之一。在其形成过程中，恒星会遭受剧烈的压缩，内部物质中的电子并入质子后形成中子，最终成为直径只有十几千米，质量却是太阳数倍的致密星体。中子星的许多天文现象很有观测价值，比如中子星的密度极高，每立方厘米便可重达数十亿吨，当两个致密的中子星进一步碰撞合并时，瞬间释放出巨大能量，这时天空中一些方向的伽马射线强度会在短时间内突然增强，产生所谓的“伽马射线暴”。

这次的发现过程是这样的：

首先，LIGO与VIRGO同时捕获到一个持续时间为1百秒左右的新引力波信号，通过对信号特点的分析，科学家认为这是两颗中子星并合产生的。引力波信号到达后大约1.7秒，美国国家航空航天局（NASA）的费米卫星探测到了一个伽马射线暴。由于引力波信号和伽马射线暴同一时间来自天空同一区域，科学家认为两者必然是由同一个天文事件产生的。

随后，世界各地的天文学家都接到LIGO通知，纷纷动用一些最先进的望远镜，比如钱德拉X射线空间望远镜、哈勃空间望远镜、甚大望远镜以及阿塔卡玛大型毫米波天线阵，对相关区域展开观测。

后续的天文观测持续了数周，结合这1百秒左右引力波的数据，科学家可以对这一天文学事件做出全面的描述。大约在1.3亿年前，长蛇座尾部的“NGC4993”星系中，两个比太阳略重的中子星不期而遇，它们刚开始相距约400千米，以每秒12圈的速度围绕彼此转动。巨大的质量搅动着宇宙，传出一阵阵时空的涟漪——引力波。

随着中子星越靠越近，两者转速逐渐增加到每秒2000圈，引力波的“哨音”也愈发急促。终于，两个中子星碰撞在一起，10亿℃的高温物质从碰撞处喷涌出来。巨大的冲击波也在穿过喷涌物质时，散发出强烈的伽马射线。这些光、宇宙射线和引力波一起，以光速行走了1.3亿年，终于来到地球，被人类察觉。

“多信使天文学”

这次捕获到中子星碰撞所发出的引力波，对天文学研究产生里程碑式的发展。

我们常说，天文学研究是“盲人摸象”，因为宇宙太大了，要了解它太难了，一种观测方式往往只能了解片面的信息。从古人单凭肉眼仰望星辰，到伽利略首次用天文望远镜对向夜空，人类观测宇宙的唯一方式曾经就只有用眼去看，但这种观测受到天气条件的约束，而且许多星体是肉眼看不到的。

随着科学的发展，人们逐渐认识到在可见光之外，宇宙中还存在X射线、无线电波等看不见的射线。通过探测它们，可以触摸到宇宙这只“大象”的另外一些方面，比如黑洞的引力让光线也无法逃脱。人们无法看见黑洞，但是它会释放出很强的X射线，这让天文学家得以分析黑洞的若干性质。所以，现代科学家所研究的就是“电磁波天文学”——用可见光、X射线、无线电波等不同波段的电磁波来“看”天文现象。

然而，引力波是与电磁波本质不同的物理现象，百年前爱因斯坦的广义相对论指出，引力波记录的是时空变化的“涟漪”，它与物质的相互作用非常弱（不像电磁波），其携带的来自波源的信息恒久不变。通过这种全新的物理现象，科学家又有了一种“听”天文的方式，使“电磁波天文学”会进化为“多信使天文学”，既可以利用电磁波“看”，又可以用引力波“听”天体，并且还可以利用电磁波“看”那些用引力波“听”到的天体。此次的“中子星碰撞”就是用这种手段来研究的——科学家仅靠引力波数据就了解了中子星碰撞的过程、确定了伽马射线暴的起源，然后利用电磁波又“看”到这次碰撞。

接下来，科学家会用同样的技术手段（LIGO、VIRGO）观察更多的黑洞、中子星合并产生的引力波，以后可能每天都有新发现。同时，多信使天文学还有两个更重要的方向要去探索。一是去探索更加微弱的引力波。按照爱因斯塔的理论，引力波信号的强弱与发射源的质量和远近有关。目前科学家所捕获的引力波信号，要么来自黑洞，要么来自近距离的中子星，都是比较容易找到的。而宇宙中更多的引力波源自数目庞大的小星体，比如行星、白矮星，它们活动更频繁，但发射的引力波信号就要弱许多。但目前，LIGO、VIRGO的技术还达不到能测到它们的精度。

另一个更伟大的目标，就是尝试收集宇宙大爆炸产生的初始引力波。因为引力波不会衰减，所以初始引力波很可能还在宇宙中回荡。找到它们，或许能够帮人类开始认识宇宙起源与物质创生的秘密，甚至有可能开始探测光产生之前的原始宇宙。

科学理论推测，138亿年前，大爆炸发生之后的一段时期里，宇宙里充斥着非常热的光子、电子、质子组成的等离子态物质，它们组成了高温、高密度的带电浆云。光子在这团浆云中不断与电子和质子发生散射，根本跑不出这锅炽热的粒子粥。所以，最初的那38万年的宇宙，我们是无法看到的。直到大爆炸发生38万年后，随着宇宙膨胀和冷却，原子开始形成，带电浆云渐渐散开，宇宙中就有了可以传播的光线（运动的光子）——这也是“电磁波天文学”可以研究的所有天文现象的“时间起点”，如果要研究这之前的事情，只能寄希望于初始引力波。但初始引力波的频率更低，波长跟整个宇宙的尺度差不多，对技术要求更高，虽然我们不知何时才能实现，但这还是给我们带来了希望和研究方向。

引力波还能干什么？

最后，我们无法免俗，还是要来讨论一下引力波对于普通人有何价值，毕竟“宇宙时空”这种事离我们太远了。其实，科学家在探索引力波过程中带来的科技进步，已经有不少能够转化为民用。

以世界上最重要的引力波探测天文台即美国的LIGO为例，它耗资数亿美元，由上千位科学家花费40年时间建成，但目前仍需要继续“升级”。原因就在于，引力波是非常微弱的，地壳运动的震颤、数千千米外海浪拍打岩石的声音、温度的略微上升，都可能对探测造成影响。为了保证抗干扰能力，LIGO须把精度技术提升到极致。

比如，LIGO使用的镜片由高纯度的二氧化硅制作，能够做到每射来300万个光子，只有一个光子会被镜子吸收，即只挡住了一个光子。可以说镜片甚至比空气还要通透，该技术可以用于医疗、手机、相机；探测引力波时，LIGO激光在天文台内反射400次，光路总长度达到1600千米，但仍能做到不发散、不衰减，其中必然使用了高超的激光功率放大技术，那么或许可以给无人驾驶汽车中的激光雷达提供一些借鉴；LIGO真空系统内的压强，可以做到海平面大气压强的一万亿分之一，如此高程度的真空技术，对于需要防尘的半导体加工工业应该同样有用；而LIGO的减震抗震系统，在军用导弹存储方面可以照搬应用。

那么，引力波本身能干什么？可以说，在能够预见的将来，引力波对于日常生活几乎毫无用处，最多也只能给导演或者作家提供一些创作灵感，比如电影《星际迷航》、《星际穿越》以及小说《三体》中都有关于引力波的桥段。不过，当初人类最开始意识到电磁波存在时，也并没有感觉到电磁波有什么用，如今，电磁波却在微波炉、手机、航空中不可或缺。由此推测，引力波也许能够重复这个故事。

本文源自大科技〈科学之谜〉杂志2018年1期 文章 欢迎您关注大科技公众号：hdkj1997