互动科普

声波和光波充满我们的世界，并能被我们感知到，它们是宇宙中两种最基本的波动形式。使用仪器设备能够延伸我们的感官，我们几乎能“听到”所有的机械波，“看到”所有的电磁波。这样，我们就能“听到”地球内部的结构，“听到”深海中的鱼群，“看到”银河系的样子和上百亿光年远的星系，甚至能“看到”宇宙大爆炸后38万年时（宇宙开始变得透明）的景象。

声波需要介质，即要有连续物质的分布，气态、液态、固态都可以，它是物质间电磁作用力的一种表现，其（纵波）形式就像多米诺骨牌，倒下一张，推倒前面的一张，如此连续下去，直到所有的骨牌全部倒下。不同的是，声波物质（粒子）“推跑”了自己前面的粒子后还要借势回复到原状，不用你重新码牌。有趣的是，声波传递的速度只与物质的种类和集合在一起的方式有关，与声音大小和高低无关。没有物质连续分布，声音就终止了，我们听到的声音都限于地球范围内，宇宙空间听不到声音。

光波不同，它是一种变化的场，不需要实体物质。哪里有电场的变化，哪里就有变化的磁场，磁场的变化又引发变化的电场，如此往复在空间中你追我赶，形成了电磁波。它的性质只依赖于电和磁的作用关系，所以在真空中光的速度是恒定的。电（磁）场变化快一点（时间变化率大），光的频率就高；变化慢一点，频率就低。如高速运动的电子碰到“墙上”（金属靶），速度瞬间变为零，其产生的磁场也几乎瞬时变为零，这时电场瞬间变得很强，这就会放出高频的光，如X射线。

波动是宇宙中传递能量和信息的载体，是我们了解外部世界、了解宇宙的窗口，仔细想想，好像只有声和光这两种主要方式。还有没有第三种呢？可能会有。

在牛顿力学中有个万有引力定律，只要有质量就会有引力，而且这种力是超距作用的，无论两个物体相距多远，都是瞬时指向对方。宇宙中光速是上限，万有引力凭什么搞特殊化？爱因斯坦眼光独到，发现牛顿力学中的两个质量（引力质量和惯性质量）原来可以是一回事，比如你在电梯里没法知道电梯是在加速上升还是静止在一个大质量物体的表面。利用这个等效原理，爱因斯坦得到了广义相对论的引力方程，这个方程中没有了万有引力，不存在超距作用，有的只是被质量和能量变形的空间（时空），引力不过是扭曲的时空的一种效应。重的物体扭曲了周围的时空，轻的物体围绕重的物体运动，只不过是轻的物体在扭曲的时空中沿着最短路径作“惯性”运动。电荷被加速时会发出电磁辐射，有质量的物体被加速时也会发出引力辐射，这是广义相对论的一项重要预言。我们可以把它类比于机械波，如果某一点的时空结构发生变化，这种变化会影响它周围的时空，这种影响以波动的形式向外传播，并依次影响到整个空间，这实际上是一种时空结构的波动，也就是所谓的“引力波”。

我们拿太阳系来做一个“实验”：假如太阳可以瞬间消失，八大行星会怎样？在牛顿看来，太阳消失的瞬间，八大行星会同时察觉到太阳没了，并同时沿着切线方向飞离出去；在爱因斯坦看来，太阳消失了，被太阳扭曲的时空会迅速变得平直，这种变化会向外传播，依次经过水星、金星、地球、火星⋯⋯它们分别感受到一次“震动”，最先从火星开始依次发现自己所在的时空变得平直，并依次沿着平直时空“飞离”出去。这是牛顿力学与爱因斯坦相对论最根本的不同，其他相对论的预言，如水星进动、光线弯曲、引力红移等等用牛顿力学拼拼凑凑也能勉强解释，引力波如果真的被检测到，那必定是牛顿力学的滑铁卢（死穴）。

检测引力波的原理很简单，时空波动（变形）会使物体的位形发生改变，比如一根长杆会发生压缩或拉伸，但一般空间物质运动变化产生的引力波都很弱，检测难度很高，像太阳突然消失会产生一个强“脉冲”，相对比较容易检测到，不过太阳瞬间消失不太可能发生。人们推测，像超新星爆发、引力坍缩、黑洞合并等会产生可检测到的效应，双星系统也可发出连续的引力辐射。人们设计了各种检测方法，最灵敏的是激光迈克尔孙干涉仪，可测量垂直的两条长臂之间微小的长度变化。各国已经建造多台测量设备，有代表性的是美国“激光干涉引力波观测台”（LIGO），臂长2公里。目前还没有直接检测到引力波的可靠证据，倒是通过双星系统间接证实了引力波的存在。由于引力波实在太弱，地面背景干扰（噪声）又较大，最雄心勃勃的是欧洲空间局和美国宇航局的“激光干涉空间天线”（LISA）计划，他们打算于2015年前后在太空建立一个1000倍地球大小的巨型探测系统。

引力波直接检测是当前物理学的一个重大课题，如果能合适地检测到引力波，这将成为我们了解宇宙的第三只眼，因为引力波像其他的波一样，携带着能量和信息。电磁波无法使我们“看到”宇宙大爆炸之初（宇宙诞生38万年之前）的景象，也无法看到暗物质的状况，引力波却可以做到。

（本文发表于《科学世界》2011年第7期）