“最强大脑”科学家搜寻“百年孤独”引力波

物理学家对引力波的探测“情有独钟”，引力波的语言是爱因斯坦留给物理世界的主要遗产之一，引力波的发现对宇宙学研究将产生深远的影响，如果最终检测不到引力波，那么科学家将会重新思考宇宙学的含义。物理学家从未削弱对引力波搜索的力度，他们研发了搜索引力波的各种探测仪，其中的一种是激光干涉引力波天文台(LIGO)，先进的LIGO可能最先发现好似水波荡漾的太空引力波。过去十年，旧版本的LIGO一直承担了对宇宙涟漪搜索的使命，2015年9月，新版本的LIGO投入使用，升级版LIGO的技术提升十分显著，过滤噪音的灵敏性、收集引力波事件信号的能力得到提升，发现引力波的机会增加了，物理学家对此信心倍增。

什么是引力波？

时空纤维的扰动引起了引力波，当人们用自己的手在一池平静的水池中搅动时，他们会注意到阵阵波纹在水面上荡漾，通过一圈圈的水环向四周扩散，在平坦水面波动的水纹好似时空中的引力波。爱因斯坦生前没有发现引力波，他曾预测，当大质量物体在时空穿越时将会留下引力波痕迹。但“空空如也”的时空如何产生波纹？根据广义相对论的研判，时空不是纯粹的空无，与佛教和道教哲学家“一无所有”的虚无概念不同，时空含有丰富的四维纤维，当一个物体在时空纤维中加速穿越时，扯动时了空的纤维组织，推的作用方式导致挤压，拉的作用方式导致拉伸，好像材料力学对材料的分析一样，引力波是时空纤维变形的效应，在两个物体之间产生了引力作用。

广泛流行一种对引力作用的形象图解，人们在一张绷紧的橡皮垫上搁置一个重的球体，或将一个重的球体在橡皮垫上轻轻滚动，重的球体引起了橡皮垫的下沉，球体或其它形状物体的重量越大，橡皮垫下垂的幅度随之增大，人们将一个小球体搁置在大球体的周围，当小球放入橡皮垫的塌陷区域，人们会发现小的球体朝向大的球体滑动。行星绕恒星周围的转动类似以上的形象图解。太阳体积比地球体积大了几乎100万倍，太阳质量占到了整个太阳系的99%以上，它不仅发出了人类赖以生存的能量辐射，而且释放了对地球的引力，而人们身体的一切指标：诸如骨密度、血压、心率等离不开地球的引力作用。太阳弯曲了太阳系时空，地球和太阳系的其它行星在弯曲时空作近似于圆周的转动。

不能用橡皮垫的弯折现象精确地类比时空纤维的振动，这只是一种很好的视觉展示，可以说明真实的时空不是什么都没有的绝对虚空，牛顿物理学应用了绝对时空观的概念，而现代物理学强调了时空的实在性，时空不仅含有什么，而且充满“暗流汹涌”的变化，其中含有动力学的物质微粒，在纤维微粒绵延的时空中，任何加速运动的物体都将形成时空纤维振动的引力波，但振动幅度出现了差别，小的时空涟漪很快地消散，只有难以置信的大质量天体引起的时空涟漪才有可能传播到地球，大质量天体包括宇宙动物园的“恐龙”——中子星和黑洞。

怎样探测引力波

为了寻找时空中的引力波，科学家开展了几个不同的实验项目，LIGO实验项目在于追踪引力波影响时空的方式，当一个引力波事件在时空穿行时，在引力波通过的水平方向拉伸了空间纤维，在引力波通过的垂直方向收缩了空间纤维。LIGO项目的科学家使用了激光干涉仪，以探测引力波通过时空间纤维的波形变化。干涉仪将单一激光束分成了两段，两段激光束以相互垂直的方向发射，两段激光束旅行了同等的距离，然后从镜面反射回来，激光束从原路返回，激光束仍会与开始发射的激光束对齐。

如果有引力波从和激光束交叉的方向经过，那么两段激光束的长度将会产生微小的变化，当受到引力波干扰的两段激光束从镜面返回时，科学家能够检测激光束长度的变化值。引力波的经过造成了激光束“手臂”长度的变化，而变化值值极其微小，激光束“手臂”长度的变化值仅只有一个原子核直径的大约万分之一，为了检测难以置信的微小变化，LIGO项目的科学家过滤了所有的噪声源，包括地震和附近交通的噪声。在过去的几十年，LIGO没有探测到任何引力波的信号，但项目团队的科学家没有放弃对引力波搜寻的信念，升级版或更先进的LIGO增加了发现引力波的机会。

更先进的LIGO不得不和欧洲航天局(ESA)的激光干涉仪太空天线或LISA.展开一场科学发现的竞赛，LISA.好似一个巨大的太空版LIGO，去年12月，欧洲航天局发射了LISA探路者，相当于一次探测方案的预演。LISA探路者在太空逗留几个月时间，科学家计划检测LISA技术的可行性。在未来的发射计划中，欧航局最终将会部署LISA使命探测器。激光技术不是检测时空纤维变化的唯一工具，北美的纳米赫兹引力波天文台或NANOGrav通过射电波爆发的方式寻找引力波信号，射电波由中子星或脉冲星发射，中子星的脉冲信号通常有严格的时间性，射电波的脉冲信号或早、或晚到达接收仪器，这可能是引力波干扰造成的现象，射电脉冲在到达地球的路径上受到了引力波的“伏击”。

其它实验着力于寻找特别类型的引力波，在宇宙大爆炸之后产生了原初引力波，通过观测宇宙大爆炸之后留存的宇宙背景辐射，科学家从中寻找引力波的痕迹。在宇宙大爆炸激发原初引力波的情形中，科学家期待在宇宙背景辐射中会出现偏振现象，他们启动了银河系外宇宙光线偏振背景成像项目 (BICEP)，在南极天文台开展了系列观测活动，试图从遗留的宇宙背景辐射中找到偏振样式的信号，去年早些时候，他们匆忙宣布了原初引力波被发现的重大消息，结果有误，一些科学人士提出了言辞激烈的批评。广义相对论的发表已有100年时间，科学家加快了发现引力波的进程。

发现引力波的意义

引力波的发现将给人们带来一种新的太空观测方式，比如：宇宙原初的引力波的发现可以最终证明宇宙大爆炸理论的正确性。原初引力波携带了有关宇宙怎样形成的信息，当黑洞相互碰撞、超新星爆发和大质量中子星发生摇摆时产生了引力波，探测天体的引力波信号为人们提供了无价之宝的宇宙信息，从而对产生引力波的天体事件获得新的认识途径。引力波的发现将会帮助物理学家去理解宇宙演变的基本规律，引力波的发现事实上也是对爱因斯坦广义相对论的终极检验。引力波预言构成了广义相对论体系的一个关键部分，以引力波的发现来验证广义相对论，这是现代物理学史上最伟大的实验之一，好似物理学“皇冠上的明珠”，以引力波的发现来证明广义相对论，其中的物理意义还在于检验结果导向了万物理论，物理学家期待开发一种更为精确、更为全面的统一论物理模型，最终找到开启“宇宙大门”的万能钥匙。

（编译：2016-1-13）