2016年2月11日北京时间晚上11:30,一则来自美国的消息引爆了整个微信朋友圈:LIGO(激光干涉仪引力波天文台)科研团队宣布,他们于2015年9月14日发现了来自于13亿光年外的引力波。

那么,这个神秘的引力波究竟是什么东西?为何会激发大众的如此兴趣?引力波技术的发展到底会对经济造成什么样的影响?

引力波,是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递。引力辐射是另外一种称呼,指的是这些波从星体或星系中辐射出来的现象。101年前,爱因斯坦发表广义相对论,革新了牛顿力学的机械世界观。他创造性地提出,引力是时空弯曲的结果。根据相对论,当天体的质量分布发生变化时,将引发时空曲率的变化,并且以波动的形式传播,这就是“引力波”。

为了使大家直观地理解引力波概念,打个形象的比喻:宇宙时空类似于床垫,黑洞或恒星等巨大的天体类似于重重的铅球,行星则类似于小小的乒乓球。当铅球放置在床垫上时,会压出一个凹坑,从而迫使铅球周围的乒乓球向着它靠拢,看起来似乎是铅球和乒乓球相互吸引。因此时空“床垫”的弯曲,等价于物体之间的引力。当天体质量发生变化(例如旋转或运动)时,相当于铅球在床垫上滚动,导致的床垫变形以震动(波)的方式向外扩散,就形成了“引力波”。因此,有人把引力波诗意地称之为“时空的涟漪”。

LIGO发现的引力波,正是起源于13亿光年以外的一次宇宙“滚床单”事件:13亿年前,两个相当于36个与29个太阳质量的巨大黑洞合并,合并后形成的新黑洞相当于62个太阳,而损失的3个太阳的质量则转换成能量,并以引力波的形式向浩渺的太空四周辐射。其中的一小绺引力波涟漪经过13亿年的漫长旅行,一头撞进了地球LIGO的探测器中,留下了一声短暂而响亮的啼音,宣告了人类引力波探测新纪元的开端。

那么引力波的发现,究竟意味着什么?

毫无疑问,引力波的存在,从实验角度进一步证实了爱因斯坦101年前提出的广义相对论的正确性。然而,引力波技术对我们人类的科技进步会有什么影响呢?让我们先回想一下感人的《给我三天光明》这篇文章吧。

海伦·凯勒从小耳聋目盲,生活在无尽的黑暗与寂静之中,她只能依靠自己的触摸来感受这个精彩的世界。而在此之前,我们的天文学家也比海伦好不了多少:他们只能依靠电磁波望远镜(光学望远镜、射电望远镜等)来捕捉来自太空深处的微光和似有还无的电磁波。由于电磁波在传播过程中极容易被吸收耗散,我们探测到的远太空的电磁信号要么十分微弱,要么干脆消失在了茫茫太空的背景辐射噪音中。而引力波则不同,它的穿透性奇强,可以毫不费力地穿越像地球这样的星体。因此,天文学家将利用引力波天文台探测到诸如此次发现的十几亿光年乃至更远的太空事件。

如果把电磁波望远镜比喻成人类观望宇宙景象的近视眼,那么引力波天文台将成为聆听宇宙呢喃细语的“顺风耳”。不仅如此,引力波天文台还有望捕捉到来自大约137亿年前宇宙大爆炸(BigBang)时遗留下来的引力波动,从而帮助天文物理学家们去探测宇宙初生时的秘密。

读者可能会问:这一切到底对我们的日常生活有多大影响呢?我的回答可能会令大家有些失望:短期内(30年内)引力波技术应该对我们的日常生活不会有很大影响。长期来看,引力波技术则有可能完全颠覆我们的经济、生活形态。

回到1903年,莱特兄弟用几块木材拼装起来的双翼飞机在尘土飞扬的牧场跑道上蹒跚起飞,仅仅飞行十来分钟就被迫降落。当时的飞机只是少数科技“发烧友”的业余爱好,几乎没有公众对飞机的“处女飞行”产生兴趣,更没人指望搭乘飞机翱翔天际,跨越大洋。但仅仅50年后,航空技术就发展到了令人瞠目的阶段——可以搭载400多人的巨无霸波音747客机在1959年横空出世!而不久之后,“协和式”超音速客机也跃上了蓝天。1945年的电子计算机还需占据整整一个房间,但它的计算能力却还不如现在苹果手机上的一块指甲大小的电脑芯片!

要说引力波技术对我们现在的日常生活的影响,首先,引力波对人体基本上没有任何危害。现在看到一些所谓的“引力波屏蔽衣”纯属杞人忧天的产品。没有任何科学证据表明引力波会对孕妇或老人孩子造成什么不良影响。而且引力波虽然携带能量,但其能量非常微弱,人体接受到的平均引力波能量更是微乎其微,几乎相当于南美洲一只萤火虫的光照射到上海的我们身上。因此,大家没有必要恐慌。另外,引力波的穿透力极其强大,穿越地心上千公里的岩层都不会被吸收,凭借薄薄的几毫米衣料对引力波何以产生作用?

引力波穿透性特别强的这个优点,使得引力波技术有可能发展成为下一代的通信技术手段。引力波通信技术发展的结果,几乎可以肯定会使得光缆通信、有线电视成为历史。而且引力波无处不可以传播的特点,将使得移动通信更加方便和广泛。然而,引力波的能量太弱,会使得引力波的制备成为难点,因此推测起来其会先用于远程太空通信,而不是用于日常生活通信中。更为遥远的应用是引力波的屏蔽。走进能屏蔽引力的机器,就可以腾空而起,飞机将由此进入历史博物馆。不过,引力屏蔽技术是否可能,目前还不能完全确定。

而引力波探测技术的应用,本身并不对我们的日常生活产生直接影响,但引力探测的技术进步将给天文学、天体物理学甚至基础理论物理学(主要包括相对论和量子力学这两大领域)带来深刻影响。如果这样,引力波时代的来临,不啻一场技术革命的前奏。

如果广义相对论和量子力学能因此最终统一,形成“统一场论”,这个影响将比肩于牛顿1789年发表《自然哲学的数学原理》和1915年爱因斯坦发表的广义相对论。由此开创的技术新纪元,是现在所难以想象的。因此,可以毫不犹豫地说,如果引力波的探测被证实,我们实际上已经掀开了宇宙神秘面纱的一角。

让我们为引力波时代的莅临欢呼吧!

(作者系航空工程师、资深科学迷)