“最強大腦”科學家搜尋“百年孤獨”引力波

物理學家對引力波的探測“情有獨鍾”，引力波的語言是愛因斯坦留給物理世界的主要遺產之一，引力波的發現對宇宙學研究將產生深遠的影響，如果最終檢測不到引力波，那麼科學家將會重新思考宇宙學的含義。物理學家從未削弱對引力波搜尋的力度，他們研發了搜尋引力波的各種探測儀，其中的一種是鐳射干涉引力波天文臺（LIGO），先進的LIGO可能最先發現好似水波盪漾的太空引力波。過去十年，舊版本的LIGO一直承擔了對宇宙漣漪搜尋的使命，2015年9月，新版本的LIGO投入使用，升級版LIGO的技術提升十分顯著，過濾噪音的靈敏性、收集引力波事件訊號的能力得到提升，發現引力波的機會增加了，物理學家對此信心倍增。

什麼是引力波？

時空纖維的擾動引起了引力波，當人們用自己的手在一池平靜的水池中攪動時，他們會注意到陣陣波紋在水面上盪漾，透過一圈圈的水環向四周擴散，在平坦水面波動的水紋好似時空中的引力波。愛因斯坦生前沒有發現引力波，他曾預測，當大質量物體在時空穿越時將會留下引力波痕跡。但“空空如也”的時空如何產生波紋？根據廣義相對論的研判，時空不是純粹的空無，與佛教和道教哲學家“一無所有”的虛無概念不同，時空含有豐富的四維纖維，當一個物體在時空纖維中加速穿越時，扯動時了空的纖維組織，推的作用方式導致擠壓，拉的作用方式導致拉伸，好像材料力學對材料的分析一樣，引力波是時空纖維變形的效應，在兩個物體之間產生了引力作用。

廣泛流行一種對引力作用的形象圖解，人們在一張繃緊的橡皮墊上擱置一個重的球體，或將一個重的球體在橡皮墊上輕輕滾動，重的球體引起了橡皮墊的下沉，球體或其它形狀物體的重量越大，橡皮墊下垂的幅度隨之增大，人們將一個小球體擱置在大球體的周圍，當小球放入橡皮墊的塌陷區域，人們會發現小的球體朝向大的球體滑動。行星繞恆星周圍的轉動類似以上的形象圖解。太陽體積比地球體積大了幾乎100萬倍，太陽質量佔到了整個太陽系的99%以上，它不僅發出了人類賴以生存的能量輻射，而且釋放了對地球的引力，而人們身體的一切指標：諸如骨密度、血壓、心率等離不開地球的引力作用。太陽彎曲了太陽系時空，地球和太陽系的其它行星在彎曲時空作近似於圓周的轉動。

不能用橡皮墊的彎折現象精確地類比時空纖維的振動，這只是一種很好的視覺展示，可以說明真實的時空不是什麼都沒有的絕對虛空，牛頓物理學應用了絕對時空觀的概念，而現代物理學強調了時空的實在性，時空不僅含有什麼，而且充滿“暗流洶湧”的變化，其中含有動力學的物質微粒，在纖維微粒綿延的時空中，任何加速運動的物體都將形成時空纖維振動的引力波，但振動幅度出現了差別，小的時空漣漪很快地消散，只有難以置信的大質量天體引起的時空漣漪才有可能傳播到地球，大質量天體包括宇宙動物園的“恐龍”——中子星和黑洞。

怎樣探測引力波

為了尋找時空中的引力波，科學家開展了幾個不同的實驗專案，LIGO實驗專案在於追蹤引力波影響時空的方式，當一個引力波事件在時空穿行時，在引力波透過的水平方向拉伸了空間纖維，在引力波透過的垂直方向收縮了空間纖維。LIGO專案的科學家使用了鐳射干涉儀，以探測引力波透過時空間纖維的波形變化。干涉儀將單一鐳射束分成了兩段，兩段鐳射束以相互垂直的方向發射，兩段鐳射束旅行了同等的距離，然後從鏡面反射回來，鐳射束從原路返回，鐳射束仍會與開始發射的鐳射束對齊。

如果有引力波從和鐳射束交叉的方向經過，那麼兩段鐳射束的長度將會產生微小的變化，當受到引力波干擾的兩段鐳射束從鏡面返回時，科學家能夠檢測鐳射束長度的變化值。引力波的經過造成了鐳射束“手臂”長度的變化，而變化值值極其微小，鐳射束“手臂”長度的變化值僅只有一個原子核直徑的大約萬分之一，為了檢測難以置信的微小變化，LIGO專案的科學家過濾了所有的噪聲源，包括地震和附近交通的噪聲。在過去的幾十年，LIGO沒有探測到任何引力波的訊號，但專案團隊的科學家沒有放棄對引力波搜尋的信念，升級版或更先進的LIGO增加了發現引力波的機會。

更先進的LIGO不得不和歐洲航天局（ESA）的鐳射干涉儀太空天線或LISA。展開一場科學發現的競賽，LISA。好似一個巨大的太空版LIGO，去年12月，歐洲航天局發射了LISA探路者，相當於一次探測方案的預演。LISA探路者在太空逗留幾個月時間，科學家計劃檢測LISA技術的可行性。在未來的發射計劃中，歐航局最終將會部署LISA使命探測器。鐳射技術不是檢測時空纖維變化的唯一工具，北美的奈米赫茲引力波天文臺或NANOGrav透過射電波爆發的方式尋找引力波訊號，射電波由中子星或脈衝星發射，中子星的脈衝訊號通常有嚴格的時間性，射電波的脈衝訊號或早、或晚到達接收儀器，這可能是引力波干擾造成的現象，射電脈衝在到達地球的路徑上受到了引力波的“伏擊”。

其它實驗著力於尋找特別型別的引力波，在宇宙大爆炸之後產生了原初引力波，透過觀測宇宙大爆炸之後留存的宇宙背景輻射，科學家從中尋找引力波的痕跡。在宇宙大爆炸激發原初引力波的情形中，科學家期待在宇宙背景輻射中會出現偏振現象，他們啟動了銀河系外宇宙光線偏振背景成像專案 （BICEP），在南極天文臺開展了系列觀測活動，試圖從遺留的宇宙背景輻射中找到偏振樣式的訊號，去年早些時候，他們匆忙宣佈了原初引力波被發現的重大訊息，結果有誤，一些科學人士提出了言辭激烈的批評。廣義相對論的發表已有100年時間，科學家加快了發現引力波的程序。

發現引力波的意義

引力波的發現將給人們帶來一種新的觀測太空方式，比如：宇宙原初的引力波的發現可以最終證明宇宙大爆炸理論的正確性。原初引力波攜帶了有關宇宙怎樣形成的資訊，當黑洞相互碰撞、超新星爆發和大質量中子星發生搖擺時產生了引力波，探測天體的引力波訊號為人們提供了無價之寶的宇宙資訊，從而對產生引力波的天體事件獲得新的認識途徑。引力波的發現將會幫助物理學家去理解宇宙演變的基本規律，引力波的發現事實上也是對愛因斯坦廣義相對論的終極檢驗。引力波預言構成了廣義相對論體系的一個關鍵部分，以引力波的發現來驗證廣義相對論，這是現代物理學史上最偉大的實驗之一，好似物理學“皇冠上的明珠”，以引力波的發現來證明廣義相對論，其中的物理意義還在於檢驗結果導向了萬物理論，物理學家期待開發一種更為精確、更為全面的統一論物理模型，最終找到開啟“宇宙大門”的萬能鑰匙。

（編譯：2016-1-13）