时空联连时星辰之声

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　　当“人类首次直接探测到引力波”的新闻发布之后，一波波关于引力波的资讯在新闻媒体、论坛、微博等信息平台上刷屏，就算不怎么关注科技新闻的人，也会在这一波科普大潮中，了解到爱因斯坦关于引力波的预言，感觉到引力波是多么重要的发现。笔者更想为你揭示，与引力波相关的时空与星辰之美，是这个宇宙亘古亘今的秘密。
　　理论基石 振荡时空
　　经过近一个世纪，广义相对论从一个当时多数物理学家不理解的抽象引力理论，发展成为现代物理学中的一个基础理论。它指出，引力是因为质量对时空造成了变形所导致的，这令很多人难以理解――时空也会发生变形？这意味着，我们所存在的时空可以被当作一种可变形的“介质”来认识，引力波就是在这种“介质”中振荡的波。
　　对于“波”，我们并不陌生，生活中有机械波（如声波、水波）、电磁波（如可见光波、无线电波）……机械波的传播需要介质，比如水波，一颗石子扔进水中，水波就以石子入水处为中心向外振荡传播开来，这是通过水中每一点的周期性上下振动传播的，水就是水波传播的介质。电磁波的传播不需要介质，它是电场和磁场的强度随时间周期性变化，并在空间中相互转化，将能量传递出去形成的。引力波的传播不需要介质，它也不是能量在空间中传递所形成的波，而是空间本身的周期性变化所产生的波。
　　想象一下，我们在电影院看着白色银幕上放映的电影，画面中有一颗石子掉入了水中，激起了一层层水波。此时吹来了一阵风，银幕随风抖动，画面看起来扭曲了。在这个例子中，假设银幕就是我们所处的时空，银幕中的电影可看作“我们生活的世界”，而银幕本身的抖动，就相当于引力波，它会使我们看到的世界发生扭曲。当然，在现实生活中，并没有靠什么“风”来产生引力波。如果“我们生活的世界”，即银幕中的电影有运动的画面，那么银幕就会抖动。也就是说，如果空间中的质量分布发生了剧烈变化，就会使空间本身产生波动，形成引力波。
　　我们也可以把空间想象成一块巨大的橡胶膜，那些有质量的物体就会让橡胶膜变得弯曲，如同在蹦床上放一个保龄球，质量越大，空间就会被扭曲得越厉害，形成引力波。
　　根据这一理论，我们来重新认识地球围绕太阳的公转运动：太阳质量非常大，导致其周围的空间产生了非常大的变形，如果你想在这巨大的变形空间周围以直线运动，就会发现自己其实沿着一个圆周在运动，这就形成了地球的公转轨道。以前牛顿力学解释行星的运转，是力拉着行星运转，广义相对论则视其为空间弯曲的结果，宇宙因此呈现出全新的图景。从此，星辰和宇宙不再是毫不相干的孤寂星体与广袤空间，而是充满振荡与弯曲的时空涟漪。
　　其实，凡是有质量或者能量的物体都能够产生引力波。甚至当你我开始跳舞时，也能够引起时空的波动。但大多数时空波动都十分微小，无法被感知或被探测到。比如，地球绕太阳公转因引力波辐射损失的能量，大概只有约200瓦，与一台洗衣机的功率差不多，可想而知，一般物体产生的引力波有多微弱了吧。
　　倾听星辰 宇宙广播
　　引力波如此微弱，自然十分难以探测。而且，如果把探测器建在地球上，其规模不会太大，所观测的引力波源也受到限制。如此次探测到引力波的LIGO（激光干涉引力波观测站），所观测的引力波频率范围是30～7000赫兹，波长范围40～10000千米，对应的是中子星合并、超新星爆发等活动。因此，星星们在时空中的振荡，虽然无时无刻不在发生，但要想观测到，是非常不容易的事。
　　引力波也是星星对宇宙的广播。在著名科幻小说《三体》中，引力波天线可是一个重要的道具。地球人为了应对三体人的侵略，威胁把三体星系的坐标在宇宙中广而告之，宇宙广播的工具就是引力波天线。要在地球上建造引力波天线可比建造引力波探测器难多了。引力波天线要发出能被别人探测到的引力波，就必须产生极高质量物体的振动。想想前文提到的地球围绕太阳运转产生的引力波辐射功率吧，要什么样的物体才能产生足够功率的引力波呢？
　　《三体》提供了一个理论方案：引力波发射的基本原理是具有极高质量密度的长弦的振动，最理想的发射天线是黑洞，可用大量微型黑洞连成一条长链，在振动中发射引力波……这对技术的要求太高了，近乎神话。所以《三体》假设了一种超密度的“简并态物质”构成振动弦，比如头发丝一般细的中子星物质弦，就能辐射出全宇宙听到的“广播”了。即使如此“简化”，对现在的技术水平来说，也仍然极其遥远，还是让它暂且存在于科幻小说中吧！
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