在过去这段时间里,整个科学界最激动人心的发现之一,同时也是未来五到十年内有望取得大量进展的领域,便是引力波的探测。
所谓引力波,是时空结构本身产生的涟漪,通常在两颗大质量恒星或两个黑洞彼此合并时被激发出来。
它不是我们熟悉的声波,也不是电磁波,而是空间本身在震动。如果没有爱因斯坦当年的那一纸预言,一百年来的科学界不知道该有多无聊。
广义相对论提出的引力波,就像一枚被抛向空中的绣球,整整一个世纪,全世界的科学家都在拼尽全力想要把它抢到手,以证明这枚"绣球"真的存在。
这场跨越百年的接力赛,直到最近才终于有了明确的答案。
美国天文学家菲利波恩科(Alex Filippenko)在接受采访时介绍,激光干涉引力波天文台(LIGO)于2015年9月成功探测到了一个信号。
经过数月的数据处理与反复核验,科研人员最终确认,这个信号正是距离地球约十三亿光年之外的两个黑洞相互合并时留下的独特印记。
他表示,这一成果堪称辉煌,因为它印证了爱因斯坦广义相对论——也就是他的引力理论——中一项关键的预言。
按照广义相对论的描述,两个大质量、尤其是极为致密的天体发生合并时,它们各自在空间形状上所造成的凹陷会相互叠加,从而形成一种向外扩散的螺旋状图案。这种图案有点像人们把球扔进游泳池后,水面上荡开的一圈圈波纹。
这样的波动携带着能量向外传播,只是极其微弱、极难捕捉。科学家在过去这段时间终于成功探测到它,并向世界公布了这一结果,令菲利波恩科本人也深感震撼。
参与合并的两个黑洞,各自的质量约为太阳的三十倍,它们最终并合为一体,这本身就已是一件令人惊叹的事件。
他补充说,自那次首度探测之后,人们又相继捕捉到几起类似的黑洞合并事件。
随着相关科学家与工程师不断改进探测技术,未来将有望进一步研究中子星的合并,以及其他各种类型的天体物理过程。菲利波恩科强调,这将为人类打开一扇全新的观测窗口,让我们能够以光——也就是电磁辐射——所无法企及的方式研究这些天体。
原因在于,引力波并不是在空间中来回振荡的电场与磁场,而是空间本身随着时间推移向外传播的一种真正意义上的涟漪,一种细微却真实的波动。
也正是从这个角度看,宇宙空间才显得那么"诡异"——它不是虚无,而是有形状、有弹性、能够被质量压弯、被能量震动的一种真实结构。
这项发现所印证的,正是爱因斯坦当年提出的思想:大质量天体确实会在时空中形成明显的凹陷,而当两个这样的天体发生合并、或其中之一发生爆炸等剧烈事件时,这种凹陷便会以涟漪的形式向外传播。
空间之所以能够承载这种涟漪,是因为它本身就具有某种类似"坚硬"介质的性质——它可以被拉伸、被压缩,却又能弹性地恢复。
这一理论确实是正确的,而人类花了整整一个世纪的时间,才最终证明了这一点。
除此之外,这次测量所达到的精度也令人瞠目结舌。菲利波恩科表示,这可能是迄今为止人类完成过的最精密的一次测量。
LIGO探测装置拥有两条长达四公里的干涉臂,科学家必须以极高的精度去测量这两条臂的长度变化。具体的技术细节暂且不论,其测量精度需要达到质子直径的千分之一。
质子本身已经小到肉眼完全无法想象,而四公里长的干涉臂在引力波经过时所发生的长度变化,只有质子直径的千分之一那么微弱,科学家却必须把它准确测量出来。
为了让公众体会这种精度,他打了一个比方:这就相当于测量离太阳最近的那颗恒星的距离——那颗恒星在四点二光年之外,也就是大约四十万亿公里——却要把测量误差控制在一根人类头发丝的宽度之内。
请想象一下,把最近恒星的距离量到一根头发丝那么精确,是何等惊人的成就。
围绕这场探测的国际竞赛同样值得一提,除了LIGO之外,欧洲、北美、澳大利亚、南非、印度都建有相关的探测设备,我国则另辟蹊径,以脉冲星测时列阵作为独立路径。
"天眼"在2023年通过对纳赫兹引力波的观测拿出了关键性证据之前,很长一段时间里,其他国家的类似阵列都没有取得过确切的成果。
不同国家、不同频段、不同原理的多支队伍,实际上是在从多个角度共同追赶这枚"绣球"。
尽管引力波的首次探测发生在2015年9月,正式向全世界公布则是在2016年2月,但整体来看,这仍是一个极为年轻的研究领域。
菲利波恩科预计,未来还会有更多类似的探测事件被记录下来,人类才刚刚开始以一种全新的方式去探索宇宙——在这种方式所揭示的现象面前,传统的电磁波、可见光观测手段几乎是完全"失明"的。
因此,他判断,在接下来的五到十年间,引力波天文学这一领域必将迎来许多重大发现。
说宇宙是"坚硬"的,并不是指它像钢铁一样冰冷不动,而是说时空本身具有一种真实的、可被拉扯与震动的结构。
两个黑洞在十三亿光年之外的碰撞,能够以千分之一质子直径的振幅穿越整个宇宙抵达地球,说明这层结构既坚韧又敏感。
一百年前,爱因斯坦在纸上写下的方程只是一串符号;一百年后,人类真的听见了时空自身发出的声音。
这枚被追逐了整整一个世纪的"绣球",如今终于落进了科学家的手中,而它带来的答案,也远比当初的问题更加深邃。
从LIGO首次捕获的那一声"啾鸣",到中国天眼补上的纳赫兹拼图,人类第一次不再只依赖光去看宇宙,而是能够真正"触摸"到它。