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爱因斯坦的宇宙——弯曲空间与引力波


WWW.YUHUAN.COM  作者:yuhuan 来自:玉环网站 点击:679 时间:2004-12-6

我们的宇宙是一个翘曲而波动的宇宙,一种最隐秘的宇宙涟漪——引力波,将成为人类洞察宇宙世界的秘密通道。这个宇宙秘密是爱因斯坦发现的,从这个意义上来说,我们的宇宙就是爱因斯坦的世界.

上篇:这是一个弯曲的空间


   月球为什么不离开地球,地球为什么不离开太阳,恒星为什么不离开星系?牛顿说,那是因为万有引力;爱因斯坦说,那是因为空间在弯曲。牛顿认为,引力就像联系宇宙万物的纽带,将物体拴在空间中运动不止;爱因斯坦认为,引力其实不是一种真正存在的力,而是看不见的空间弯曲不平造成的假象。从广义相对论提出以来,越来越多的实验和天文观测结果都在表明,我们这奇异而美丽的宇宙,到处都是坑洞,到处都是坡坎,到处都是褶褶叠叠的弯曲。


  在镜子中放大的宇宙——弯曲空间中的引力透镜效应


   当你凝视星空的时候,你会感到自己很渺小而宇宙如此宏大,你会惊叹宇宙像一个复杂的难解之谜一样幻象万千。但是,真正的宇宙也许并不是你所想象的那样广袤无边,也不是你眼中看到的那样拥挤嘈杂。在一个立满哈哈镜的屋子里,空间可以被无限放大,房间中的事物也可以反复出现,满世界都变得热闹非凡。我们的宇宙太空,也立满了这样的哈哈镜,那就是天文学家眼中的“引力透镜”,它让星系光影交错,让空间繁复莫辨,让物体虚实共存。这其实是空间弯曲后最奇诡的特性。

   在1979年以前,关于空间弯曲在宇宙中形成庞大的引力透镜的观点,还只是爱因斯坦理论上的推测。他预言,在一些具有大质量星系聚集的太空区域,空间会像一张“橡皮毯子” 被铁球一般的大质量天体压出凹陷,原本笔直经过的光线在这里也要沿着凹陷的空间转弯,产生像凸透镜一样使光线转弯的效应,并最终汇集起来。实际上,这将得到跟我们透过照相机看物体一样的效果,在我们的底片上将落下另一个有光的影像。但是这个透镜比较怪,越靠近中心部位的地方聚焦能力越强,越远离它聚焦能力越弱。因此爱因斯坦预言,如果我们观察的位置选取得当,将可以同时看见遥远星体的数个虚像。

   这个有趣的推测在1979年得到了证实。科学家们首次观察到银河系外一个遥远明亮的类星体Q0597+561,被它前面一个巨大的星系挡住了,这个巨大星系对空间的弯曲使类星体Q0597+561穿过附近的光芒转折、汇集,形成了另一个一模一样的类星体影像。这个类星体和它的像在宇宙中看起来像一对双胞胎紧紧靠在一起,形成虚实莫辨的奇观。

   但是与所谓的“爱因斯坦光环”比较起来,这种只形成单个星像的景观实在太平常了。如果观察者恰好站在远方发光星体、星系引力透镜所成的一条直线上,将能够从上到下、从左到右地看见星像连续出现在天空中,形成一圈由星星组成的光明耀眼的环,就像晚会表演时观众手里拿的荧光圈一样。哈勃望远镜观看到的牛眼星云,其实就是一个典型的爱因斯坦光环。并且当引力透镜对远方星体聚焦后,产生的新的星体像会比星体本身明亮数百数千倍。如果你有足够的能力将黑洞、中子星或者大质量的星系移动,你就随意控制了一个硕大无比威力无穷的放大镜了,你可以用它来汇集太阳光芒,就像你用放大镜聚焦阳光点燃一张纸一样,你可以制造一个比太阳灼热几千倍的亮点,当地球碰到亮点时,就像水滴落在烧红的铁板上一样,“滋啦”一声地球烟消云散了!

   因为引力透镜的出现,天空更加热闹,各种星体的面貌更加离奇,有的星光被放大,有的星体仿佛被克隆,整个宇宙都呈现出虚幻的放大,在这样的空间里,你能够不被迷惑吗?我们又该怎样理解“有限无界”宇宙的真正来由?牛顿所设想的平直空间是无法解决这些疑问的,平面透镜一样的空间不会形成哈哈镜中的奇迹,也无法帮助人们识别谁是星体中的“真假美猴王”。只有爱因斯坦设想的弯曲、崎岖的空间——虽然我们无法用肉眼感知它——才能告诉我们真实的一切。

  
陷阱里,鬼魅般闪耀的光芒——弯曲空间中光的红移与蓝移


   经过弯曲空间的光线,必然产生引力透镜效应,使之看起来好像被一种力量暂时劫持了一样。那么当光线垂直落入弯曲空间中时,会发生什么情况呢?

   光的颜色丰富多彩。但每一束光的颜色一般是不会改变的,所以,人们才能利用不同颜色的光做成信号,如以红绿灯来指挥交通,以穿透力强的红色氖灯在迷雾中引导飞机和船只航行等等。但是,假设我们人类可以像在地球上一样生活在中子星甚至黑洞上面,希望依靠光的颜色来传递信息的梦想将永远不可能实现,因为在强引力场中,按照与空间弯曲的不同走向,光的颜色会发生不同程度的改变,产生所谓的“光的红移或者蓝移”现象。人们发现光有这样的特性,它的速度是绝对不变的,但它的频率或者波长能够改变,影响光子能量的惟一因素就是频率,也就是它的颜色。颜色越暗红,频率越小,能量就越低,反之,颜色越蓝紫,频率越高,能量也就越高。当光子失去能量时,频率降低、波长变长,颜色变红,物理上把这种现象叫做“红移”;相反,如果获得了能量,光的特征就会反着改变,而颜色也变得更幽蓝,这叫“蓝移”。

   还让你回到我们未来设在中子星上的城市,你马上就会发现自己到了一个到处是鬼魅光芒的世界:海边巨大灯塔发出的本来橘黄色的光芒,你越远离它,它就越变越橙红、褐红、暗红直到不再发出光芒;而正朝在灯塔上守望的你驶来的船只上橘黄色的信号灯光,你将发现它越来越绿、越蓝、越紫直到变成刺眼的电弧一样的闪光,最后你也会看不见灯光了,不过不是它太暗了,而是变成了X射线甚至伽马射线,超出了你的视觉范围。地球上如此稳定的光的颜色,为什么在中子星上就变成了最捉摸不定的鬼魅呢?

   爱因斯坦的广义相对论告诉我们:引力场对于质量是一种陷阱,空间在那里弯曲,有质量的物体会自然地沿着倾斜的陷阱壁下落。对于光线也是这样的。中子星上的灯塔使它的周围空间凹陷成倾斜的井,光在这样的陷阱中,当沿着井壁下滑时,它就获得了能量,就像人顺着斜坡下滑一样,人体会获得更大的动能;相反,要从井底跑上来,你要消耗很多能量。越靠近巨大质量的地方,空间弯曲越厉害,越陡峭,光线在这个井中运动时获得能量与消耗能量越厉害。所以你就自然地看到了光的颜色在中子星上剧烈地变化。

   其实,中子星只是地球上情景的夸大。我的地球上一样存在这样的现象,只是微小得任何人都无法去感觉,因为地球质量所引起的空间弯曲非常微不足道。但是,我们的仪器能够感觉到。

   所有的光都属于电磁波,引力场中光子的行为改变可以用各种电磁波来模拟实验。20世纪60年代,哈佛大学的研究者们将一个发射伽马射线的放射形金属块放置在20米高的塔尖上,当他们在地上测试接受到的射线时发现,伽马射线的频率的确变强了,产生了蓝移现象;反过来,在塔顶测试塔底下传过来的射线发现,其能量损失了,频率降低,产生了红移。所以你在自己家中看见的节日的灯火颜色,和你在太空飞船或者月球上俯视它们时看见的颜色一定不一样(如果你能看见的话),光在地球的空间陷阱中“爬”到月球上你的眼中时红移了。

行星,在看不见的井中飞驰——弯曲空间中的水星进动


   即使如光子这样急速而又极轻的物质也会驯服地被空间摆布,更不用说那些行星恒星等天体了。用万有引力来解释天体运动,总是很虚幻而抽象,但当你想到它们不过是在倾斜的空间舞台上转动时,不但能够形象地感知天体运动的奥妙,而且会觉得更合理。被摇动的骰子可以在碗沿上转动而不落到碗底;驾驶摩托车前进的井底飞车演员可以在倾斜的井壁上转圈而不摔落下来。一旦它们都停止前进,只有一个结果:落到最低处。我们的地球以每小时10万多公里的速度绕太阳公转,如果它停下来,不但马上失去四季更替的自然景观,而且将携带着所有生命落入太阳的熔炉中化为乌有。对于地球是这样,对于太阳系的其它行星也是这样,这就是行星公转运动的必要性。为什么行星停止公转就必然落入太阳的熔炉中呢?因为太阳利用自身重量在它的周围空间制造了一个凹陷的陷阱,地球和其它行星像一个个弹珠一样在这个陷阱的边缘向前快速滚动才不至于落入井底的太阳中。

   当然,有人一定马上跳出来反对这样的说法,他们列出的理由是:应该是牛顿的万有引力像一根无形的绳子一样牵住了地球在绕行,就像你用绳子拉住一个铁球转圈一样简单。但是在解释水星的进动现象中,牛顿的引力定律遭受了彻底的失败。

   1846年,法国巴黎天文台的青年天文学家肋维烈根据天王星的运动,采用万有引力公式进行计算准确预测了海王星的位置,这使他更坚信太阳系内还有新的行星没有被发现,并把目光转向了水星轨道以内。他很快发现,水星绕太阳的轨道并不是固定不变的,而是每转一周,其椭圆轨道的长轴便会像时钟上的时针一样前进一点,形成所谓的“水星近日点进动”现象(如图示)。水星近日点进动幅度很小,在天空中每年约挪动0.12度的位置,相当于时针在钟面上走了面前书中逗号大小的1/6,这样大约每3002年水星的长轨道轴将会像走动的时针一样转过整整一圈。按照发现海王星的经验,这就意味着水星轨道内还有一颗未知的行星。这个发现使肋维烈十分兴奋,他甚至为它取好了名字叫“祝融星”。可是直到肋维烈去世后的100年中,所有根据牛顿理论寻找“水内行星”的努力都只是竹篮打水。“水星近日点进动”现象成了牛顿引力理论无法破解的谜。

   直到1915年,爱因斯坦发表了广义相对论,并用这个理论计算出水星的近日点进动幅度与当时的观测值只有千分之二的误差,达到惊人的一致。爱因斯坦是这样用相对论来描述水星进动的:水星最靠近太阳,这里的引力场比其它行星所处的引力场强多了,时空也就弯曲得更厉害,形成一个陡峭的深井。特别是在近日点,水星不得不在那里下陷得更靠近太阳,就像飞车在更陡直的井壁下滑了一段距离一样,这段距离改变了它的轨道。其实后来测量到地球、金星等行星都在近日点有进动现象。这使我们相信,行星的运动不是平面运动,它们在空间里转圈的同时,还顺着倾斜的弯曲空间下滑。

   对空间弯曲的崭新认识,使人们抛弃了寻找“祝融星”的陈旧观点,也使人们认识到牛顿建立在平直空间认识上的万有引力理论不过是对宇宙小范围观测上的近似处理。

时空为什么这样崎岖?


   空间为什么会弯曲,在弯曲的空间中物体究竟怎样行走才能最省力省时?

   空间弯曲在常态下是不容易感知的,而像黑洞和中子星这样的极端环境人们又无从达到。所以在人类连续几千年的智慧中,都没有实现过对空间弯曲的感知。包括牛顿,他把平直的引力观念推广到了整个太阳系,并认为可以推广到整个宇宙。是爱因斯坦从那种错误中将真理拯救了出来。爱因斯坦认为,空间是四面八方立体交错的有纹理织物,是一张厚厚的看不见的网,在这样的网中,任何物体也不可能真正实现自由运动,而且我们眼中看见的物体因为吸引产生运动的动力其实甚至不是一种力,而是处在时空倾斜情况下的必然行为。

   牛顿曾经无法弄清引力是怎么回事,他只好把引力的来源归之于“上帝”。只有爱因斯坦的相对论,才使人们明白,空间曲率才是引力现象真正的原因。在这个曲面中,我们中学一直学习的平面几何理论都只是对空间弯曲极小情况下的近似描述。所以一到弯曲厉害的空间中,它就完全失灵甚至成为彻底的谬论。

   有了物质才有空间,但空间又与物体截然不同。空间为物体存在提供了一个支撑的舞台,这个舞台的形状只会被质量改变,密度越大质量越大的物体,在空间舞台上会凹陷得越深,这就跟在一块橡皮毯子上放一个哈密瓜和一个同样大小的铅球一样,后者会把毯子压出一个深深的坑。不过,我们的空间才不是像橡皮一样柔软呢,虽然你能非常自由地在空间中穿行。让空间发生形变的难度有多大?我们让一块钢板发生弯曲、凹陷这样的形变已经很困难了,但让空间发生同样形变的难度是钢板的1032倍。这个数字在牛顿看来是无穷硬,是不可弯曲的,但爱因斯坦告诉我们,不管使空间弯曲有多难,它总有一个度。在空间的毯子上面放上一个太阳,它产生的凹痕也只有几个原子大小!但黑洞就不同了,它能将附近的空间拉过来包住自己,所以你看不见黑洞,只能发现它被周围的空间捂得严严实实。

   总之,没有质量的地方空间确实是非常平直的,是质量改变了这一切,而质量无处不在,所以空间无处不崎岖。

下篇:这是一个波动的时空


   在平直的空间中,除了声音、光和原子物质的波澜外,我们再也不能想象还能有其它什么东西在波动。但真实宇宙中的确还有一种无处不在的“声波”从来没有被人类感受过,它是任何有质量的物体运动时都会发出的“声音”:小到绕核运动的电子发出的悉悉嗦嗦的声音,大到宇宙大爆炸远在一百多亿年前的那一声霹雳。它们是物质加速或者形变而激荡起的时空之网的颤抖。这个结论来自爱因斯坦根据弯曲空间的逻辑判断:任何可以被弯曲的事物在连续时间里都会形成波。池塘水面上的波纹,它们是水面形成的连续弯曲,我们的弯曲空间也一样,在弯曲过程中会形成时空的涟漪,人们叫它“引力波”。

   引力波处处存在,声波不在的地方,它也存在;光波不在的地方,它也能存在。引力波能以光速穿过真空,从太阳传向地球的引力波可以轻而易举地穿透地球,实际上,任何物质对它来说,都是透明的,物质对引力波的损耗极小,它一旦从源头传出,便会携带能量和波源物体的运动信息永不消失。总之,这种奇怪的波是人类打开的一扇从没 有打开过的未知窗口。

   引力波也非常容易产生,许多加速运动的物体都可以发射引力波:一个跳跃的小球,挥舞双臂的人,月亮围绕地球的运动……凡是有质量的物质加速运动都能发射引力波,但都太弱了。如果让一根长为20米,直径为1.6米,重500吨的圆棒以能够撕裂自身的极限速度(约为每秒28转)围绕自身中心点高速转动,它发射的引力波功率也不过只有2.2×10-19瓦,要探测这样微弱的能量变化,即使利用今天最先进的技术也是不可能的。月亮围绕地球的运动,行星绕日公转……都能发射引力波,但到达地面时引力波的功率甚至比圆棒实验产生的功率还弱。

   因此我们只能把目光投向宇宙中那些质量巨大的星体。


中子双星的死亡之舞


   宇宙间大质量天体的运动,是较强的引力波源。特别是一些双星体系,它们产生的引力波会更强大些。例如天狼双星在其附近产生的引力波功率可达到1.1×1015瓦,激起的引力波可以将附近一个太阳大小的恒星推开,但它们到达地球上时仅仅剩下1.3×10-24瓦,微弱得只能将一个电子震动。所以人们只能想办法间接地“观看”引力波的秘密。

   双星是一种典型的引力波源。引力波能把双星的能量慢慢带走,使整个双星体系的能量变小。结果,双星相互公转的周期越来越短,到最后发生碰撞融合事件,在引力波的作用下完成一节死亡之舞。人们在有生之年是无法观看到死亡之舞的全程的,但只要我们能证实双星周期变短确实存在,尽管没有直接测到引力波,也是对引力波理论的有力支持。这就是天体物理家目前采用的方法。

   幸运的是,1974年底,美国射电天文学家胡尔斯及泰勒发现了一颗名叫PSR1913+16的射电脉冲星正在跳着这样的舞蹈。这颗星与众不同,是当时发现的惟一一对含有脉冲星双星中的一个成员,它以每秒200转左右的速度自转,同时以不到8小时一圈的公转周期与它的伴星绕转。在这样的“二人转”中,它们因激起时空的巨澜而逐渐损失能量,结果是二者越来越近,转得越来越快,预计相互在距离500公里的时候,就会以接近光速的速度碰撞而融合,成为黑洞。在碰撞的瞬间,惨烈的程度是没有什么可以比拟的,现在只知道那是宇宙间最能掀起时空浪涛的事件,甚至是时空的海啸!即使这样,我们的仪器仍然需要改进才能在地球上感受到它们传来的消息。胡尔斯和泰勒在随后近20年的精密测量中发现,那颗脉冲星和它的伴星相互旋转一周所花的时间每10年就要减少4秒,或者每年相互靠近大约1厘米,估计3亿年之后,它们的间距就会缩小到迎来死亡碰撞的程度。虽然人类还没有直接听到中子双星走向死亡时发出的引力波尖叫声,但已经看到发出那种尖声的“口型”了。人类开始感受一种陌生的动荡,那种时空的波澜,让沉重的星体变得好像水面上微微荡漾着的树叶。

暗夜里不安定的暴动


   如果能够掀起时空巨澜的宇宙事件是那样的罕见,我们无限的宇宙将真正是无声的旷野。随着宇宙观测能力的提高,人们发现事实远不是这样的,当我们的城市从躁动中沉睡下来时,那暗夜里的躁动在遥远的太空中从未停息过,简直是一场场暴动。

   质量巨大的恒星最终都以超新星的形式走向死亡,那种波澜壮阔的死亡现象经常发生在我们的宇宙之中。当一个巨星坍缩而体积减小时,它的转动速度也要相应地加快,就像溜冰的人将手臂收拢后使身体转速加快一样。当一个旋转的红巨星坍缩成一颗直径20公里左右的中子星时,理论上它的转速比任何脉冲星都要快,伴随着高速的旋转,它在宇宙中激荡起阵阵强烈的引力波。

   超新星不停地在我们的宇宙中爆炸,将时空扰动得动荡不定。在一个如我们银河系一样的星系中,每10年到100年就有一次这样的时空暴动;在我们可以观测到的宇宙中,超新星以每秒钟1000颗的速度爆炸着。如果把这个区域浓缩到你目力能及的夜空,你将看到天空中出现比任何人间焰火还要灿烂的壮观场面,相信你也因此能感到引力波冲击你的衣履如晚风中树叶的瑟瑟。

   但是这样的故事还没有完。部分从超新星坍缩并有幸形成双星的脉冲中子星,还将继续在时空的池塘里鼓荡着。特别是在双星合并的最后一分钟,它们会发出老鼠一样极端兴奋的“吱吱”声,激烈震荡的引力波能量等于10万个银河系的光波总能量。这样的中子星双星仅在银河系中就大约有10万个,每一万年中就能有一个走向死亡融合。遗憾的是,即使这样多的暴动在不停地掀起时空的波澜,人类还很低劣的检测技术依然难以探测到它们。

   除了中子星双星能够发出兴奋的呼叫之外,其它类型的双星致密天体当然也会大呼小叫。引力波的频率范围非常宽广,不同天体不同运动事件将产生各不相同的音色。实际上,我们的太空不但色彩艳丽,而且声音动听,那里既有各种“鸟鸣兽吼”,也有呢语喃喃;那里既有悠扬的小夜曲,也有壮丽的赞颂宇宙的交响乐。就像用收音机收听音乐台一样,你需要的只是调台选择倾听。

   这些声音中声调最尖利的,大概是由超新星剧烈膨胀或坍缩、中子星旋转以及致密双星合并这一类突发事件所发出的,这种引力波的波长大约300公里到3万公里,频率在10到1000赫兹,我们可以在地面通过仪器来直接听到这种引力波。

   然后就是更加低沉的、更像是从宇宙的巨人们的喉咙里发出的嗡嗡声,例如由具有几百个到几千个太阳质量的超大质量黑洞、或一对相互旋转的大恒星双星发出的引力波,其波长大约为百分之一到10个天文单位,这样低沉的“声音”是无法通过地面实验来感知的。

   最神秘的,还是波长至少达10光年的引力波,它们起源于宇宙的早期,甚至是大爆炸炸响的瞬间,宇宙学家把它们描述为宇宙弦的振荡——在低声述说着这个宇宙最深藏的秘密。但以目前科学技术的发展趋势,还看不到能够对它进行测量的任何可能。

倾听永不消失的引力波


   为了捕捉到引力波,数十年来,人们一直孜孜以求地尝试着各种探测器制造技术和理论。只有打造好了一只灵敏的“耳朵”,我们才能听到最隐秘的声音。在全世界,致力于引力波探测的科学家们正在为我们创造越来越先进的倾听引力波的“第三只耳朵”,有了它,宇宙太空中的星系生活将不再只是望远镜中的哑剧。

   引力波的传播与其它的波都不相同,当它穿过物体时,首先是将物体左右拉长,再挤压回到原来状态;然后是上下拉长,再挤压回到原来状态。如果引力波作用在一个圆形截面的物体上,我们将可以看到圆面上下左右地拉长,从而使物体形状在圆形和椭圆形之间来回震荡。这就是所谓的四极震动波。科学家们根据这个原理,设计了四个大小几乎一模一样、表面极端光滑的悬挂小球组成的探测仪器。当引力波穿过它们时,人们就会看见四个小球相对着先左右远离,靠拢;再上下远离,靠拢。当然,这个移动的距离会很微弱,甚至不超过氢原子大小,而且变动速度与光速一样迅速,但今天的技术足以能够观察到这隐秘的波动了。今年4月初由美国航天局发射的“引力探测器B型”卫星,就是依据这个原理制造的。科学家可以根据这个距离地球635公里高处的卫星中,四个乒乓球大小的石英小球的定向变化,判断宇宙的时空结构是否发生了波动。

   除了直接利用物质的波动运动来探测引力波外,运用得更多的是根据引力波对光的干涉原理,制造成的各种激光干涉仪引力波探测器。目前世界上在建和已经开始运行的地面引力波探测器包括美国的LIGO,意大利的VIRGO,德国的GEO和日本的TAMA。它们的结构大体类似,都是由两个成90度交叉的长长的真空管臂组成,只是真空管道双臂长度不同,其中LIGO的长达4公里,VIRGO的长达3公里, GEO的600米,TAMA的300米。以规模最大的LIGO为例,它从一个地方发出两束激光,经远处平面镜反射后又回到起点汇合。如果这两束激光的波长在这个传播路途中没有改变,他们返回后形成的光斑亮度还和原来一样。但是,如果有较强的引力波干扰了它们,使他们各自传播的空间发生了距离改变,再返回来时就不会和先前一样汇合了:要么波叠加使光亮变强,要么波峰和波谷相互抵消使光变暗甚至消失。预计两个臂发生长度改变只有一个氢原子大小的1亿分之一。LIGO设在美国的一个平原上,专门用来接收来自银河系的中子星或者黑洞运动引起的高频率引力波。

   可是地面上建造的“耳朵”,再大也不能听到超大质量黑洞发出的更低沉的呼噜声,因此欧洲航天局和美国航天局合作,正在着手进行名为 LISA的太空引力波探测器研制。它由三颗卫星组成,将在2008年发射升空,排列成一个边长为500万千米的等边三角形,并静静地呆在绕太阳公转的轨道上。由于LISA有一个500万千米的超长“手臂”,比起LIGO等其它探测器来不知要灵敏多少倍,它可以很容易地听到来自宇宙更深处声音喑哑的低频引力波甚至宇宙早期发出已经成为背景的低音。

引力波,你可以做什么?


   我们已经能够利用各种频率的光波观看物体的形状,已经能够利用各种波段的声波倾听物体的声音,我们似乎已经不需要什么别的手段来更好地了解物体了。但是人们还看不见黑洞、看不见星体的内部、也看不见被尘埃遮蔽的星云中央和宇宙大爆炸时的宏伟场面,这个宇宙人类无法看清的东西太多了。我们能不能像看一个玻璃球一样看黑洞、我们的地球和月亮,能不能听到一百多亿年前那最震撼的宇宙大爆炸声响?

   人类为了寻找地外智慧生命,曾经用各种各样的电磁波和声波向太空发送我们地球人的各种信息,其实这样的信息载体究竟能够穿越时空多远,是很值得怀疑的,在日常生活中,我们的电磁波和声波太容易被物体阻挡了。而在浩瀚的宇宙中,我们的电磁波望远镜要穿透一颗星体几乎不可能,所以迄今所获得的关于宇宙天体的信息,都很难直接显示出天体内部的真实情况。

   引力波的横空出世,将让人们观察物体的角度发生革命性的改变。如果利用引力波观测,这个世界将变得更加绚丽和热闹,所有的问题也更加透明而明晰。引力波能够让人类的感觉触及宇宙事件的每一个角落和细节:耀眼的超新星爆炸不再是哑剧,它通过引力波传来爆米花一样的声音;中子星的碰撞、黑洞的创生像一场高昂的大合唱;你甚至能听见宇宙炸开、但光子都还没有跑出来之前那阵空前绝后的轰响。光波让我们的视觉贯穿时空,而引力波则让我们听见过去和现在,那是又一种多么奇妙的时空穿越呀。

   比起电磁波来,引力波更能畅通无阻,通过无处不在的时空网络,任何物体的运动都在向外传递它最丰富的信息。如果用引力波来发射电视信号,高高的电视塔和通讯卫星都会成为过去。也许宇宙中的地外智慧生命早已通过引力波来通讯了,但是我们人类没有一个相应的“信箱”可以接收到它们特殊的信件。在宇宙中,引力波更能够直接告诉我们超新星爆发时内部所发生的很多情节;我们一直看不透的黑洞,在引力波望远镜面前也许就透明得如同一只美丽的玻璃花瓶,要了解那神秘的奇点也许不再完全依靠想象了。

   但是更奇特而实用的,应该是人类可以凭借引力波的波动做“冲浪运动”了。引力波震荡时,可以将空间拉伸和挤压,使时空距离变长或者缩短。你坐在中国上海家中的餐桌旁,依赖定向发射的一阵引力波,你忽然就落在了美国繁忙的纽约公司里。这个速度比眨眼还快,因为引力波以光速传递时空的形变。

   也许你不知道,“制造”这个宇宙的真正力量还是引力波。宇宙大爆炸后,能量与物质完全均匀分布,没有一种力量打破这种均衡,就不会启动能量凝聚成大块原子、尘埃、恒星和星系。是与爆炸同时产生的时空涟漪扰动了宇宙,使物质碰撞、堆积,反过来更大质量的星际物质加剧了时空网络的扭曲,物质的演化开始循环加速了。

   从光速不变原理的萌芽,到逐渐完成一个弯曲空间的宇宙构想,最终又认识到波动时空这一宇宙的本真,爱因斯坦的这一段光辉历程不但为人类构建了一套前所未有的伟大相对论,也为人类发掘出了一座引力波的伟大宝藏。我们不能完全想象得到引力波的神奇用途,但是它带给我们的每一种想象与期待,都是从未有过的迷人和壮丽。利用引力波,将是人类最伟大的创造,而为人类展现引力波神话的先驱爱因斯坦,将成为最伟大的为人类盗取真理火种的现实中的普罗米修斯。

   是的,我们对于宇宙的理解直到今天仍然不能超越爱因斯坦;是的,我们的宇宙就是爱因斯坦的宇宙。

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