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作者：罗子人 来源： 发布时间：2025-3-1 10:19:39
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引力是自然界中四种基本相互作用力之一，也是最早被人类认识的基本相互作用力。牛顿被苹果砸中发现万有引力定律的故事想必大家都不陌生，其实，引力的想法最早可追溯到伽利略，但真正被系统性地提出是在1687年，源自牛顿撰写的《自然哲学的数学原理》。 其他三种基本作用力——电磁力、弱力和强力，在量子理论出现后，在标准粒子模型的框架下获得了统一。很多科学家，包括爱因斯坦在内，都试图构建一个大统一理论，将引力也统一进去。但遗憾的是，到目前为止都未获成功。从这个意义上说，引力虽然最早被人类认识，但也是认识得最不清楚的基本作用力。 目前公认的描述引力的最佳理论是爱因斯坦于1915年提出的广义相对论，认为引力的本质其实是时空本身的弯曲。我们可以用一个二维橡皮膜来类比四维时空。当我们把大质量物体，如太阳和地球，放在橡皮膜上时，物体所处的地方就会向下凹陷，周围会被拉伸变形，大质量物体周围的其他物体就会向大质量物体中心滚落。中心大质量物体越致密，形成的凹陷就越深，附近的变形就越大。当中心物体是黑洞时，形成的变形是如此之深，如果靠得太近，即使是光都无法逃脱掉落到黑洞中心的命运。 广义相对论有诸多预言，如行星近日点进动、引力红移、光线偏折、雷达回波的时间延迟、磁型引力效应等，都已经被太阳系中的实验所证实。那么在更大尺度，如星系或宇观尺度，广义相对论还能否被观测所严格验证？ 20世纪30年代，美国加州理工学院的天文学家弗里兹•扎维奇在观测螺旋星系旋转速度时，发现星系外侧的旋转速度比引力理论预期的快，故推测有数量庞大的质量拉住星系外侧的恒星，使其不致因过大的离心力而脱离星系。扎维奇还发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系。 为解决这一问题，科学家发明了暗物质的概念——宇宙中有大量暗物质，特别是存在大量的非重子物质的暗物质。据天文学观测估计，宇宙的总质量中，重子物质约占4%。也就是说，宇宙中可观测到的各种星际物质、星体、恒星、星团、星云、类星体、星系等的总和只占宇宙总质量的4%，96%的物质还没有被确切地直接观测到。 1929年，经过9年的努力，爱德文•哈勃获得了40多个星系的光谱，发现这些光谱都表现出普遍性的谱线红移。如果这是缘于星系视向运动而引起的多普勒移动，那说明所有样本星系都在做远离地球的运动，且速度很大。哈勃根据“所有星云都在彼此互相远离，而且离得越远，离去的速度越快”的天文观测结果得出结论：整个宇宙在不断膨胀，星系彼此之间的分离运动是膨胀的一部分，而不是由于任何斥力的作用。 为解释这一现象，科学家在爱因斯坦广义相对论的场方程里加入了一个“宇宙学常数”，它可促使所有星系或者其他物质加速远离。科学家将这种与引力相反的斥力来源称为“暗能量”。 迄今我们能够给出的只是一个十分粗略的宇宙结构图景：我们所熟悉的世界，即由普通原子构成的一草一木、山河星月，仅占整个宇宙的4%；22%为暗物质；作为最大组分的74%，则由最为神秘的暗能量构成。暗能量无处不在、无时不在，由于对其性质知之甚少，科学家还不清楚如何在实验室中验证其存在，惟一的手段仍是通过天文观测来了解其奥秘。可以说，笼罩在当代物理界上空的两大“暗云”——暗物质和暗能量，都与引力息息相关。 让我们再回到黑洞上来。黑洞是广义相对论最重要的预言之一，虽然很多天文学观测都表明黑洞确实存在，但我们对黑洞的具体性质仍知之甚少。比如，黑洞是如何产生并长大的？黑洞的视界究竟是怎样的存在？黑洞的奇点是怎么回事？广义相对论在黑洞奇点真的失效了吗？量子力学在黑洞奇点起作用吗？这些问题都需要我们进一步研究引力理论，进一步了解引力本质。 目前，人类的科技进步已经到了即将揭示引力本质、发现宇宙奥秘、开启新一轮物理学革命的前夜。引力波研究很可能是这一系列变革的前哨。 引力波是爱因斯坦广义相对论的另一个重要预言，是时空曲率的扰动在时空本身的传播。如果以水面来比喻时空，那么引力波就是时空的涟漪。在某些特定环境之下，加速运动的物体能够使时空曲率产生变化，并能以波的形式向外光速传播，这就是引力波的产生机制。 引力波同其他物质的相互作用极其微弱，这使得探测引力波相当困难。也是因为这个原因，引力波携带的波源的信息可以毫无阻拦地穿过行进中的星体、星云和星系，到达人类制造的引力波探测器。从这个意义上讲，引力波是一种非常好的观测手段，可以很忠实地反映波源的情况。总之，引力波能穿透电磁波无法穿透的地方，是电磁波的良好互补，为我们探测更深更远及黑暗面的宇宙提供了一个全新的窗口。 2016年2月，激光干涉引力波天文台（LIGO）宣布他们在2015年9月14日观测到了来自两个黑洞并合时释放的引力波，证实了爱因斯坦关于引力波存在的预言，并开创了一个新的研究方向——引力波天文学。之后，LIGO和室女座引力波天文台（Virgo）科学团队又发布了第二、三、四次引力波事件的探测结果，标志着引力波探测已经进入常态化。 2017年10月16日，LIGO和Virgo科学团队宣布首次发现双中子星并合的引力波事件，同时国际引力波电磁对应体观测联盟宣布发现该引力波事件的电磁对应体信号。这是人类第一次同时探测到引力波及其对应体，正式开启了多信使引力波天文学时代。 引力波与电磁波一样，是一个宽频信号，承载了引力相互作用的基本自由度，探测和研究引力波为揭示宇宙演化、基础物理学规律和相对论天体物理动力学提供了新的方法和手段。同时，宇宙中存在大量的引力波源，包括起源于宇宙早期暴涨、反弹的原初引力波，宇宙早期相变产生的相变引力波以及黑洞和中子星并合产生的引力波等，覆盖了从10-18Hz到104Hz的宽阔频段。 不同频段的引力波起源不同，对应的科学目标也不同，将从不同方面促进基础物理和引力波天文学、宇宙学的发展和突破。LIGO只是多种主流引力波探测方式中的一种，仅能探测约10Hz以上的引力波。因此，LIGO在引力波探测上的成功并非意味着人类有关引力波探测努力的结束；相反，它标志着人类进入了利用引力波进行引力本质、宇宙学和天文学研究的新时代。 在阿赫兹到飞赫兹频段（10-18Hz~10-15Hz），宇宙极早期的时空量子涨落产生原初引力波，它与LIGO探测到的黑洞并合产生的引力波完全不同。发现原初引力波将从另一方面验证爱因斯坦的引力波理论。更重要的是，探测原初引力波是对宇宙起源理论，如暴涨理论、宇宙反弹、循环理论等最强有力的实验检验，对研究宇宙起源与演化的基本物理过程具有突破性意义，同时也是基础物理学的重要研究手段。 在纳赫兹频段（10-9Hz），这部分引力波窗口具有丰富的天文学内容和极高的研究价值。由于星系级黑洞的并合对于宇宙结构形成和演化起着主导作用，这些引力波源的探测直接打开了探索宇宙结构的引力波窗口。在基础物理方面，这一频段引力波探测可以获得其他引力波探测技术难以测量的引力波偏振和色散等重要信息，从而提供进一步检验引力理论的可能性。 在中低频频段（0.1mHz~1Hz），大质量黑洞并合、大质量黑洞俘获其他致密天体、双致密天体绕转、早期宇宙相变和宇宙弦等潜在波源都能产生频率处于中低频频段的引力波。中低频频段引力波探测使得利用引力波深入研究大质量黑洞成为可能，为理解大质量黑洞的形成过程及其与宿主星系演化的联系，理解在黑洞视界附近的强引力场下和宇宙尺度下引力的本质提供关键信息，在科学上具有重大的意义。中低频频段引力波探测可以在双恒星级黑洞从相互接近到最终并合的过程中，先于地面引力波探测器发现其引力波信号；可以覆盖从宇宙演化极早期的TeV能标的物理过程到现如今银河系中的致密双星绕转，从黑洞视界附近的极小尺度到宇宙演化的极大尺度，其可探测对象几乎存在于整个宇宙空间；可以对部分波源获得最高的信噪比、最多数目的探测信号周期，对其的精密测量使得在高精度下测量强引力场下的动力学性质成为可能，从而可以细致地检验和研究引力理论。总的来说，中低频频段引力波探测的研究对象囊括了由近到远、由小到大的极为丰富的引力波源，探测范围可以覆盖整个宇宙空间，有望在基础物理、引力波天文学和宇宙学研究中发挥关键作用。 在高频频段（10Hz以上），恒星级致密天体，如黑洞、中子星等并合可产生周期在毫秒量级的引力波，可为检验广义相对论、研究黑洞性质、探索致密双星起源、研究极端条件下的物质性质、加深对星系动力学及双星演化的理解提供帮助。 引力波这个广义相对论最重要的预言，只在最近才得到直接但有限的验证。从目前人类对基本相互作用的认识来看，广义相对论只是一个经典理论，亟须进一步发展。另外，引力理论对认识宇宙及其演化、暗物质和暗能量这两个本世纪自然科学中最大的谜团都具有关键的作用。引力波是研究引力理论、宇宙学和天文学的一个重要途径，对其的研究已成为各国争相追逐、未来抢占科技制高点的重要阵地之一。■ （作者系必威体育app官网：力学研究所研究员）
《科学新闻》 (科学新闻2024年12月刊 科普)
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