引力波的神秘光环
国防科学技术大学理学院 钟鸣
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13亿年前，宇宙深处，一颗36倍太阳质量的黑洞和一颗29倍太阳质量的黑洞相互吸引、缠绕、旋转，象一对优雅的舞者，热情奔放地跳着探戈。在舞蹈中，它们不断地向外辐射能量，越走越近，越转越快。最后，一霎那间，它们激烈碰撞并结合在一起，成为一个62倍太阳质量的黑洞。损失掉的3个太阳质量的能量主要以引力波的形式向茫茫无际的宇宙辐射，其中的极小部分于北京时间2015年9月14日抵达地球，列队通过美国的激光干涉引力波观测平台(LIGO)。引力波会引起它通过的空间振动而伸缩，就象小球轻轻撞击弹簧一样。引力波的这个持续时间0.2秒的小动作正好被拿着激光干涉“望远镜”准备“检阅”它们的科学家发现。
至此，科学家们已经翘首期盼了它一个世纪。1915年11月，爱因斯坦初步建立了广义相对论，用四维时空的曲率来描述引力。他的引力场方程将时空的曲率与物质的能量和动量联系起来。1916年6月他对引力场方程进行了近似的计算第一次预言了引力波的存在，认为聚集成团的物质的形状或速度突然改变时，会改变附近的时空状态，效应就像涟漪以光速在宇宙这个“大海”里传播。广义相对论的其它预言如水星近日点进动、引力场中的光线偏折、引力钟慢、引力红移和拖拽效应都相继被证实，唯独引力波，一直顽皮地游走于人类的直接探测之外。
基于对物理理论的深刻认识，一直以来物理学家对引力波的存在是深信不疑的。只是因为宇宙中的引力波太弱了，很难被直接探测到。近百年来科学家做了很多努力和尝试，都没有成功。
到目前为止，人类探测到的自然界中的基本相互作用力有四种：引力、电磁力、弱力和强力。强和弱相互作用都是短程力，只对微观世界的粒子起作用。引力和电磁力都是长程力，能够作用于宏观物体。四种相互作用中，引力的强度最弱，以无量纲的耦合常数来表示，它比电磁作用至少要小35个数量级。
加速运动的电荷产生电磁波，与此相似，加速运动的质量辐射引力波。电磁波和引力波都很容易在实验室中产生，但是引力波的强度会比电磁波的弱很多。这不仅仅是由于引力相互作用的强度比电磁的弱很多，还因为电磁波和引力波的产生机制有所不同。电磁波可以通过电荷的偶极震荡产生，而引力波必须通过物质的能量四极矩的加速变化产生，这样的产生机制更是大大压低了引力波的强度。举例来说，我们在地球上每平方米能接收到太阳辐射电磁波的平均功率大约为1300瓦。而地球和太阳组成的一个两体转动系统辐射的引力波，总功率才大约200瓦。这基本上就是照亮一个房间的电灯泡的功率！区区200瓦功率的引力波散发到太阳地球系统这样的一个大空间中，我们在其中的一点上探测引力波的难度比大海捞针大多了。此外，对引力波和电磁波的探测，是要分别利用探测器上产生的引力和电磁相互作用效应，对引力波的探测效率远低于对电磁波的。所以不仅是大海捞针，而且是拿着眼很大的网在大海里捞针！
普通物体，甚至太阳系中的天体产生的引力波都很弱，远远超出了人类目前的探测能力。科学家们便把目光转向宇宙中诸如黑矮星、中子星、黑洞等大质量致密天体的激烈运动产生的强引力波。捞这些大针总比小针容易吧！
就算是捞“大针”，对网也是有严格要求的。根据广义相对论的计算，这些巨大天体激烈运动产生的“强”引力波会引起它穿越空间的尺度发生微小变化，1000米距离大约有10-18米的变化。探测器必须满足这样的精确度和灵敏度要求才能捕捉到引力波信号。LIGO是目前最先进的引力波探测器，它主要由安放于美国境内的两套相隔约三千公里的激光干涉仪组成。每套干涉仪有两个互相垂直的长4000米的臂，臂内真空度很高。科学家们让两束激光在长臂中来来回回地跑280次以有效增加光的传播距离后再互相干涉形成干涉条纹。引力波通过时，引起空间变形，两束光的路程差发生大约10-15米变化，激光干涉条纹就会发生相应的变化，由此可以读出引力波信号。这次LIGO测到的引力波来源于双黑洞融合瞬间喷发的最强部分，只测到0.2秒的信号。用万幸来形容并不为过，因为差一点就失之交臂了。
引力波的发现不仅是对爱因斯坦广义相对论一次意义非凡的直接验证，是广义相对论百年华诞的最好献礼。这一划时代事件本身也是人类文明进程史上的一个里程碑。LIGO实验使得长度测量的精度达到了10-18m，是原子核尺度的一千分之一，这是一个新记录。LIGO是一个大型精密实验装置，它的建造集成了人类方方面面的科技成果，表明了人类科学技术的巨大进步。
在学科发展上，引力波的成功探测为人类研究和探索致密天体及宇宙的演化规律开辟了新途径。人们认为引力波的发现对天文学发展的意义不亚于400年前伽利略首次用望远镜观测夜空。几百年来，人类主要依靠探测和分析来自宇宙深处的电磁波、宇宙射线和中微子信号来研究天文学。现在观测到了引力波，多了一种探测方法，科学家可以通过它来进一步探索和理解宇宙的物理演化过程。目前的常规望远镜和探测器还存在一些探测死角和盲区，象黑洞的视界、超新星的最深处以及中子星的内部结构等致密天体的信息只能通过探测来自这些星体的引力波得到。LIGO探测到的引力波就表明了存在太阳质量级别的双黑洞系统，是人类第一次探测到双黑洞合并现象。常规的探测途径也无法获得宇宙起源的信息，因为电磁波、宇宙射线和中微子要在宇宙大爆炸之后一段时间才能产生。而根据现在公认的宇宙起源模型，宇宙大爆炸时会发生宇宙时空剧烈的暴胀过程，时空的剧烈扰动会产生一个引力波的背景信号。这种强的原初引力波，有可能在不久的将来被人类探测到，为人类探索宇宙的起源和演化提供一个有效的观测手段。
毫无疑问，引力波的发现宣告了一个科学时代的开启，这是它的学术身价。但是它的技术应用价值怎样呢？在科幻小说和电影里，人们经常可以看到关于引力波的各种令人脑洞大开、耳目一新的装备，引力波通信、引力波天线、引力波雷达、引力波探测和成像、引力波反重力武器、引力波推动飞船等描写屡见不鲜。象这些关于引力波通信、探测和能量传输等方面的描写实际上都可以在日常生活中找得到电磁波的应用原型，只不过基于引力波的技术和装备威力更强大。诚然，和电磁波相比，由于引力相互作用很弱，引力波在传播过程中几乎不受外界的干扰，因此具有超强的穿透性，可以轻易穿越中间媒介物体的阻挡，在通信、探测和能量传输等方面具有电磁波不可比拟的优势。除此之外，引力波还有自己的独特能耐，它可以扭曲它经过的时空。对引力波这个性质的应用设想更是可以放飞想象大胆展望。比如，人类可以通过向飞行器发送引力波，改变飞行器上的时空尺度和性质，干扰飞行器的定位和导航，使其迷航。人类甚至可以利用引力波来建造“时空迷宫”。进入“时空迷宫”中的任何物体会自觉地沿着被引力波扭曲的空间轨道运动，它的落点完全受引力波的控制。不管是子弹、炮弹、导弹还是激光，引力波都可以扭曲它们的运动路径导致它们跑偏，甚至让它们“调转枪口”，让敌人搬起石头砸自己的脚。引力波的独特性质以及关于它的这些奇思妙想很容易撩动人们的热情，一些国家开始关注它的技术应用，特别是在军事上的应用前景。
美国国防情报局早在2008年就对难以捉摸的引力波是否可能被别国利用从而给美国的国家安全带来威胁开展过调查。美国的一家公司还给国防情报局提交过一份项目申请书，希望该局资助公司通过利用强磁场将电磁波转变成强引力波的研究。国防情报局要求贾森国防顾问团确定是否可以利用这种高频引力波给地球中心绘制图像，或者利用它进行远程通讯。贾森国防顾问团的成员有不少是国际一流的理论物理学家，他们经过严谨的理论计算，撰写了一份40页的报告。报告认为这种产生引力波的方法效率非常低，毫无现实意义。地球上的所有发电站同时开机运行100亿年时间，才能用这种方法产生一个仅有一百万分之一焦耳能量的引力波。让一艘引力波驱动的飞船获得略大于地球的重力加速度以逃离地球，用这种方法产生引力波所需要的电流是现在全世界总电流输出量的25个数量级。
看来，虽然对引力波应用的设想很诱人，但是它的现实应用是不乐观的。要利用引力波，我们首先要有可以利用的引力波源。人类目前可以轻易产生引力波，不过太弱了，离可以被应用相差甚远。按照现有的被证实了的引力理论和技术水平，人类根本无法产生足够强的、可以被加工和探测的引力波，更不用说应用它去服务人类了。既然经常有来自宇宙深处的强引力波光临地球，我们能不能收集、储存、控制和加工这些引力波，作为人类的引力波源呢？对于电磁波，这样的技术是比较简单和成熟的，比如刚才提到的LIGO实验，激光在长臂中来来回回地跑280次，就是一种电磁波的储存技术。但是对于引力波，这样的操作难度很大，因为引力波的穿透性很强，很难找得到关住它的“笼子”。
不过，我们也用不着对引力波的应用操之过急。我们毕竟才刚刚发现它，对它还很不了解，当然很难预料得到它到底有什么用处。就算是电磁波，在1887年被发现后，它的发现者赫兹也不认为他发现的无线电磁波会有任何实际用途。但是在随后的一个多世纪里，电磁波的各种应用技术相继被发明和创造，将人类文明进程显著推进。可能引力波的应用也要经历一个比较漫长的过程。现在，我们能做的就是对它进行基础研究，全面了解它的性质。它的技术应用应该是水到渠成、瓜熟蒂落的事情。
理论上，对引力的研究需要进一步的深入和突破。在四种基本相互作用中，引力是人类最早开始认识的，但也是到目前为止最不清楚的一种相互作用。爱因斯坦的广义相对论用四维时空的曲率来描述引力，它简单而深刻的物理内涵和优美的数学表述形式使它成为现代物理学的审美标杆。随着引力波被发现，它的所有预言均被证实了。但是广义相对论是无法自洽地被量子化的，它和量子力学之间存在格格不入的结构性矛盾。量子力学是描述微观物理世界的必要理论工具，其他三种基本相互作用都在量子场论的理论框架内成功量子化。广义相对论和量子力学的不协调意味着在物理学的核心处存在着深刻的矛盾。不少理论物理学家认为广义相对论可能只是引力的一个近似理论，它能成功地描述宏观的引力现象，但是对于微观现象的描述可能还缺少一些重要的元素，正是这些重要元素的缺失使得它的量子化进程受阻。目前国际学术界有几种引力的量子化方案，其中比较有影响力的是弦理论。弦理论有一种模型认为通过弦的振动可以产生引力波，它的计算结果表明人类能够在地球上制造出强引力波。不过，弦理论目前还没有任何的实验验证，还完全停留在理论猜想和数学表述环节。
实验上，不仅仅是美国，欧洲、印度、日本和中国等国都很关注引力波的探测工作，都有投入巨资开展引力波实验探测研究的意愿和计划。我国主要有三个大型引力波探测计划，现在都还在预研阶段。其中两个是太空探测项目，一个是地面探测项目。两个太空探测项目分别是由中国科学院牵头组织的“太极计划”和中山大学领衔的“天琴计划”，均准备于2030年前后发射由位于等边三角形顶端三颗卫星组成的引力波探测星组，用激光干涉方法进行引力波的直接探测。“太极计划”的主要科学目标是观测双黑洞并合和极大质量比天体并合时产生的中低频波段引力波辐射，以及其它的宇宙引力波辐射过程。“天琴计划”主要探测的是低频段连续型引力波。地面项目是由中国科学院主导的“阿里实验计划”，打算在西藏阿里地区放置一个小型但具有大视场的射电望远镜，从地面上聆听宇宙大爆炸发出的原初引力波的低频音符。这些引力波的探测计划涉及学科领域和前端技术广泛，包括物理学、天文学、宇宙学、天体物理、空间科学、光学等学科，以及精密测量、真空技术、洁净技术、航天技术、导航与制导、飞行器与轨道设计等先进技术。在建造空间大型科学探测装置的过程中需要发展空间的超远距离超高精度激光测量、超高灵敏度惯性传感器，以及超高精度卫星无拖曳控制等下一代高端空间技术，这些技术对于提升我国空间科学和深空探测的技术水平具有重要意义，对惯性导航、地球科学、高精度卫星平台建设等应用领域也将发挥积极的作用，一旦攻克，可广泛用于经济和国防。
每一次基础科学的重大突破，都会轰轰烈烈地引起人类社会的一系列科技革命，改变人类的生产和生活模式，也会引发军事变革，改变人类战争形态。站在复杂电磁环境中的人类很难想象出未来复杂引力环境中的人类文明。引力波将会如何改变人类的生活、生产以及战争形态？对这个问题的求解才刚刚开始。在求解的过程中，人类会不断地革新技术水平、提升认识能力、增加知识积累、拓展认知疆域、推动社会进步。当人类找到问题答案后，文明进程将会急剧加速，质的飞跃将会飘然而至。
作者简介：钟鸣，国防科学技术大学理学院物理系副教授，硕士生导师。联合国教科文组织和国际原子能机构下属的国际理论物理中心协联成员，大亚湾反应堆中微子实验组成员。从事高能物理理论研究，在强子物理、重整化群的性质以及引力的量子场理论等研究方向已发表SCI研究论文20篇，被引用近千次。1973年生，广东湛江人。
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