波——了解世界的第三只眼

作者：唐云江
聲波和光波充滿我們世界，并能被我們感知到，是宇宙中兩種最基本的波動(dòng)形式。使用儀器設(shè)備能夠延伸我們的感官，我們幾乎能“聽(tīng)到”所有的機(jī)械波，“看到”所有的電磁波。這樣，我們就能“聽(tīng)到”地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，“聽(tīng)到”深海中的魚群，“看到”銀河系的樣子，“看到”上百億光年遠(yuǎn)的星系，甚至能“看到”宇宙大爆炸后38萬(wàn)年時(shí)（宇宙開(kāi)始變得透明）的景象。
聲波需要介質(zhì)，即要有連續(xù)物質(zhì)的分布，氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)都可以，它是物質(zhì)間電磁作用力的一種表現(xiàn)，其（縱波）形式就像多米諾骨牌，倒下一張，推倒前面的一張，如此連續(xù)下去，直到所有的骨牌全部倒下。不同的是，聲波物質(zhì)（粒子）“推跑”了自己前面的粒子后還要借勢(shì)回復(fù)到原狀，不用你重新碼牌。有趣的是，聲波傳遞的速度只與物質(zhì)的種類和集合在一起的方式有關(guān)，與聲大、聲小、聲高、聲低無(wú)關(guān)。沒(méi)有物質(zhì)連續(xù)分布聲音就終止了，我們聽(tīng)到的聲音都限于地球范圍內(nèi)，宇宙空間聽(tīng)不到聲音。
光波不同，它是一種變化的場(chǎng)，不需要實(shí)體物質(zhì)。哪里有電場(chǎng)的變化，哪里就有變化的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的變化又引發(fā)變化的電場(chǎng)，如此往復(fù)在空間中你追我趕，形成了電磁波。它的性質(zhì)只依賴于電和磁的作用關(guān)系，所以在真空中光的速度是恒定的。電（磁）場(chǎng)變化快一點(diǎn)（時(shí)間變化率大），光的頻率就高，變化慢一點(diǎn)，頻率就低。如高速運(yùn)動(dòng)的電子碰到“墻上”（金屬靶），速度瞬間變?yōu)榱悖洚a(chǎn)生的磁場(chǎng)也幾乎瞬時(shí)變?yōu)榱悖@時(shí)電場(chǎng)瞬間變得很強(qiáng)，這就會(huì)放出高頻的光，如X射線。
波動(dòng)是宇宙中傳遞能量和信息的載體，是我們了解外部世界、了解宇宙的窗口，仔細(xì)想想，好像只有聲和光這兩種主要方式。還有沒(méi)有第三種呢？可能會(huì)有。
在牛頓力學(xué)中有個(gè)萬(wàn)有引力定律，只要有質(zhì)量就會(huì)有引力，而且這種力是超距作用的，無(wú)論兩個(gè)物體相距多遠(yuǎn)，都是瞬時(shí)指向?qū)Ψ健Ｓ钪嬷泄馑偈巧舷蓿f(wàn)有引力憑什么搞特殊化？愛(ài)因斯坦眼光獨(dú)到，發(fā)現(xiàn)牛頓力學(xué)中的兩個(gè)質(zhì)量（引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量）原來(lái)可以是一回事，比如你在電梯里沒(méi)法知道電梯是在加速上升還是靜止在一個(gè)大質(zhì)量物體的表面。利用這個(gè)等效原理，愛(ài)因斯坦得到了廣義相對(duì)論的引力方程，這個(gè)方程中沒(méi)有了萬(wàn)有引力，不存在超距作用，有的只是被質(zhì)量和能量變形的空間（時(shí)空），引力不過(guò)是扭曲的時(shí)空的一種效應(yīng)。重的物體扭曲了周圍的時(shí)空，輕的物體圍繞重的物體運(yùn)動(dòng)，只不過(guò)是輕的物體在扭曲的時(shí)空中沿著最短路徑作“慣性”運(yùn)動(dòng)。電荷被加速時(shí)會(huì)發(fā)出電磁輻射，有質(zhì)量的物體被加速時(shí)也會(huì)發(fā)出引力輻射，這是廣義相對(duì)論的一項(xiàng)重要預(yù)言。我們可以把它類比于機(jī)械波，如果某一點(diǎn)的時(shí)空結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這種變化會(huì)影響它周圍的時(shí)空，這種影響以波動(dòng)的形式向外傳播，并依次影響到整個(gè)空間，這實(shí)際上是一種時(shí)空結(jié)構(gòu)的波動(dòng)，也就是所謂的“引力波”。
我們拿太陽(yáng)系來(lái)做一個(gè)“實(shí)驗(yàn)”：假如太陽(yáng)可以瞬間消失，八大行星會(huì)怎樣？在牛頓看來(lái)，太陽(yáng)消失的瞬間，八大行星會(huì)同時(shí)察覺(jué)到太陽(yáng)沒(méi)了，并同時(shí)沿著切線方向飛離出去；在愛(ài)因斯坦看來(lái)，太陽(yáng)消失了，被太陽(yáng)扭曲的時(shí)空會(huì)迅速變得平直，這種變化會(huì)向外傳播，依次經(jīng)過(guò)水星、金星、地球、火星……它們分別感受到一次“震動(dòng)”，最先從水星*開(kāi)始依次發(fā)現(xiàn)自己所在的時(shí)空變得平直，并依次沿著平直時(shí)空“飛離”出去。這是牛頓力學(xué)與愛(ài)因斯坦相對(duì)論最根本的不同，其他相對(duì)論的預(yù)言如水星進(jìn)動(dòng)、光線彎曲、引力紅移等等用牛頓力學(xué)拼拼湊湊也能勉強(qiáng)解釋，引力波如果真的被檢測(cè)到，那必定是牛頓力學(xué)的滑鐵盧（死穴）。
檢測(cè)引力波的原理很簡(jiǎn)單，時(shí)空波動(dòng)（變形）會(huì)使物體的位形發(fā)生改變，比如一根長(zhǎng)桿會(huì)發(fā)生壓縮或拉伸，但一般空間物質(zhì)運(yùn)動(dòng)變化產(chǎn)生的引力波都很弱，檢測(cè)難度很高，像太陽(yáng)突然消失會(huì)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)“脈沖”，相對(duì)比較容易檢測(cè)到，不過(guò)太陽(yáng)瞬間消失不太可能發(fā)生。人們推測(cè)，像超新星爆發(fā)、引力塌縮、黑洞合并等會(huì)產(chǎn)生可檢測(cè)到的效應(yīng)，雙星系統(tǒng)也可發(fā)出連續(xù)的引力輻射。人們?cè)O(shè)計(jì)了各種檢測(cè)方法，最靈敏的是激光邁克爾孫干涉儀，可測(cè)量垂直的兩條長(zhǎng)臂之間微小的長(zhǎng)度變化。各國(guó)已經(jīng)建造多臺(tái)測(cè)量設(shè)備，有代表性的是美國(guó)“激光干涉引力波觀測(cè)臺(tái)”（LIGO），臂長(zhǎng)2公里。目前還沒(méi)有直接檢測(cè)到引力波的可靠證據(jù)，倒是通過(guò)雙星系統(tǒng)間接證實(shí)了引力波的存在。由于引力波實(shí)在太弱，地面背景干擾（噪音）又較大，最雄心勃勃的是歐洲空間局和美國(guó)航天局的“激光干涉空間天線”（LISA）計(jì)劃，他們打算在2015年前后在空間建立一個(gè)1000倍地球大小的巨型探測(cè)系統(tǒng)。
引力波直接檢測(cè)是當(dāng)前物理學(xué)的一個(gè)重大課題，如果能合適地檢測(cè)到引力波，這將成為我們了解宇宙的第三只眼，因?yàn)橐Σㄏ衿渌牟ㄒ粯樱瑪y帶著能量和信息。電磁波無(wú)法使我們“看到”宇宙大爆炸之初（宇宙誕生38萬(wàn)年之前）的景象，也無(wú)法看到暗物質(zhì)的狀況，引力波卻可以做到。

此文和《當(dāng)科學(xué)錯(cuò)了的時(shí)候》一樣珍貴，謝謝樓主、謝謝遠(yuǎn)東網(wǎng)！！！真理是相對(duì)的，科學(xué)的發(fā)展也是相對(duì)的，或者說(shuō)是，某些科學(xué)有錯(cuò)誤或局限性，這是不可避免的，科學(xué)在不斷糾正錯(cuò)誤中才可發(fā)展。