也難怪很多人對(duì)LIGO探測(cè)到的引力波質(zhì)疑，因?yàn)檫@次結(jié)果的確是太突然、太幸運(yùn)了。并且，盡管愛因斯坦在1916年就預(yù)言了引力波，但他對(duì)自己的這個(gè)預(yù)言的態(tài)度也是反反復(fù)復(fù)頗為有趣的。

愛因斯坦本人直到1936年對(duì)此還尚未有一個(gè)確定的答案。他曾經(jīng)在一篇論文中得出“引力波不存在”的結(jié)論！但因?yàn)樵撐闹兴挠?jì)算有一個(gè)錯(cuò)誤，被“物理評(píng)論”拒絕。當(dāng)年，憤怒的愛因斯坦轉(zhuǎn)而將此文投給“富蘭克林學(xué)院學(xué)報(bào)”，文章即將發(fā)表時(shí)愛因斯坦自己也發(fā)現(xiàn)了他的錯(cuò)誤，于是將文章標(biāo)題改變了[1]。后來(lái)又設(shè)法重寫了論文，計(jì)算核實(shí)準(zhǔn)確了之后才在1938年發(fā)表[2]，最終確定了引力波的存在。

對(duì)大眾而言，“引力波”、“黑洞”，“相對(duì)論”，這些遠(yuǎn)離人們?nèi)粘Ｉ畹拿~，突然一轉(zhuǎn)眼就變得現(xiàn)實(shí)起來(lái)。并且，LIGO這次探測(cè)到的雙黑洞融合事件還是13億年之前就已經(jīng)發(fā)生了的事件，輻射的引力波在茫茫無(wú)際的宇宙中奔跑了13億年之后，在其能量為頂峰的一段短暫時(shí)間內(nèi)（約0.2秒），居然被當(dāng)今的人類探測(cè)到了，這些人們難以想象的天文數(shù)字，聽起來(lái)的確像是天方奇談。

不過，大多數(shù)人對(duì)電磁波還比較熟悉，起碼這個(gè)名詞經(jīng)常聽到，因?yàn)樗c我們現(xiàn)代社會(huì)通訊系統(tǒng)密切相關(guān)。那么，既然引力波和電磁波都是“波”，我們就來(lái)比較一下這兩個(gè)“兄弟”，以此加深大家對(duì)這次引力波探測(cè)事件的理解。

從赫茲實(shí)驗(yàn)到LIGO

英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋于1865年預(yù)言電磁波；愛因斯坦于1916年預(yù)言引力波。

1887年，赫茲在實(shí)驗(yàn)室里用一個(gè)簡(jiǎn)單的高壓諧振電路第一次產(chǎn)生出電磁波[3]，用一個(gè)簡(jiǎn)單的線圈便能接受到電磁波；2016年，美國(guó)的LIGO第一次探測(cè)到引力波[4]，團(tuán)隊(duì)的主要研究人員就有上千，大型設(shè)備雙臂長(zhǎng)度4公里，造價(jià)高達(dá)11億美元，見圖1。

電磁波從預(yù)言到探測(cè)，歷時(shí)23年；引力波從預(yù)言到探測(cè)，歷時(shí)100年。

圖1：電磁波和引力波探測(cè)設(shè)備

從上面的數(shù)據(jù)可見，引力波的探測(cè)比電磁波的產(chǎn)生或接受困難多了。其根本原因是由于兩者的強(qiáng)度相差非常大。

世界上存在著4種基本相互作用。其中的強(qiáng)相互作用和弱相互作用都是“短程力”，意味著它們只在微觀世界很短的范圍內(nèi)起作用。4種相互作用中，引力是強(qiáng)度最弱的，它比電磁作用，至少要小10-35倍。

加速運(yùn)動(dòng)的電荷q輻射電磁波，加速運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量m輻射引力波。

電磁波的強(qiáng)度能夠容易地在實(shí)驗(yàn)室中被探測(cè)到，但從現(xiàn)在的技術(shù)觀點(diǎn)看起來(lái)，強(qiáng)度比電磁波小三十幾個(gè)數(shù)量級(jí)的引力波，不可能在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量到，也不太可能在近距離的普通天體運(yùn)動(dòng)中觀測(cè)到。

根據(jù)廣義相對(duì)論進(jìn)行計(jì)算，最有可能探測(cè)到引力波的天文事件，是大質(zhì)量星體的激烈運(yùn)動(dòng)。比如說，雙中子星或雙黑洞互相繞行最后融合的事件。那段過程中，雙星系統(tǒng)將發(fā)射出巨大數(shù)量的引力波。對(duì)于宇宙中發(fā)生的此類事件，天文學(xué)家們已經(jīng)研究很長(zhǎng)時(shí)間了，事實(shí)上，1947年，在歐洲的華人物理學(xué)家胡寧發(fā)表的《廣義相對(duì)論中的輻射阻尼》一文中，就最早對(duì)雙星系統(tǒng)的引力輻射效應(yīng)作出了理論證明[5]。1975年，兩位學(xué)者從觀測(cè)雙中子星相互圍繞對(duì)方公轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)，間接證實(shí)了引力波的存在[6]，并因此榮獲1993年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。近年來(lái)，人們對(duì)雙黑洞的碰撞融合過程進(jìn)行了大量的計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像模擬，也從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度，研究了各類質(zhì)量的雙黑洞碰撞在宇宙中發(fā)生的概率，及地球上探測(cè)到這些事件輻射的引力波的可能性。通過這些多方面詳細(xì)深入的研究，科學(xué)家們對(duì)引力波的探測(cè)信心倍增，才在幾十年前啟動(dòng)了LIGO的巨資大工程項(xiàng)目。并且，不僅僅是美國(guó)，還有歐洲的VERGO，印度的LIGO，日本的KAGRA，等等，都陸續(xù)在升級(jí)或建造中，見圖2b。除此之外，還有探測(cè)引力波的空間站，比如LISA等，則定位于更為低頻的引力波源。

圖2（a）無(wú)線電通訊網(wǎng)（b）引力波的全球探測(cè)網(wǎng)

即使是黑洞碰撞產(chǎn)生的強(qiáng)大引力波，傳播到地球時(shí)對(duì)地面上物質(zhì)產(chǎn)生的影響也只是微乎其微，因?yàn)檫@些事件都是發(fā)生在很遙遠(yuǎn)的宇宙空間。話說回來(lái)，這也是人類的幸運(yùn)，地球位于廣漠宇宙中一片相對(duì)平靜的空間區(qū)域，人類繁衍于一段比較安全的時(shí)間間隔。否則的話，我們也就不可能在這兒討論引力波了。引力波和電磁波一樣以光速傳播，傳播一定的距離需要時(shí)間，天文學(xué)中經(jīng)常用光旅行所用的時(shí)間來(lái)表示距離，稱之為“光年”。比如說，照在我們身上的太陽(yáng)光就是太陽(yáng)在8分鐘之前發(fā)出來(lái)的，也就可以說，太陽(yáng)離地球的距離是8“光分”。而LIGO這次探測(cè)到的引力波呢，則是兩個(gè)黑洞13億年前發(fā)出的，或者說，雙黑洞與地球的距離是13億光年。