引力波，一个世纪的求索（一）
美国国家科学基金会将在2月11日北京时间晚上11点30分（美东时间上午10点30分）于华盛顿特区的国家媒体中心就探测引力波的研究作进展报告。
本文作者胡一鸣
原铁杆天文爱好者，曾任南大天文爱好者协会会长。坚守着“道天制志天道，学文言研文学”的座右铭，终于走上了天文研究这条“不归路”。现在德国马克斯-普朗克引力物理研究所做博士后，研究引力波。
400多年前，当伽利略第一次将望远镜指向星空时，一个新的时代开启了。从那时起，天文学家用一个又一个震撼人心的观测不断拓展着人类的视野。经过漫长的发展和技术进步，今天的天文观测早已今非昔比，然而本质上，观测星空的天文学家手里的工具基本上万变不离其宗：用越来越大的口径接收来自天体的光子，并用越来越灵敏的探测器记录它们。
而今年，在爱因斯坦提出广义相对论整整一个世纪的历史性时刻，我们站在了一个新时代的起点：通过位于美国列文斯顿和汉福德的高新引力波探测器，人类有望在不远的将来捕捉到时空的涟漪，用一种前所未有的方式看待这个世界。
那么，什么是引力波呢？要理解引力波，其实也不难。
用一句话来概括广义相对论，那就是：时空命令物质如何运动，而物质引导时空如何弯曲。当物质的分布改变时，时空也会相应变化，这一变化以光速传播开去，就好像在平静的湖面上丢下一粒小石子，湖面就会有一圈波浪向外荡去，时空也会将涟漪向外传开，这便是引力波了。
关于引力波的强度，爱因斯坦也很快计算了出来——非常微弱。假设迎面走来一串引力波，你会变高变瘦，接下来变矮变胖，再变高变瘦⋯⋯ 当然，想靠引力波改变体型是不可能了，除非你就站在引力波波源附近（友情提醒，黑洞有100种方法让你在它旁边活不下去，如果你想试试，黑洞是不介意陪你玩玩的），否则引力波只会把你的身高拉高（然后压扁）那么一点点，大概就是一个氢原子的100亿分之一吧。
然而，接下来爱因斯坦却犯了难。在引入线性、低速等近似之后，得到的这么一个叫做引力波的东西，到底是数学上的一个游戏，还是一种物理的实际？要知道，通过坐标变换，似乎是可以消除引力波的呀！
回首100年前，那是很少有人能真正理解广义相对论的时代，甚至爱因斯坦本人在一些问题上也犯下不少错误。最著名的例子就是宇宙学常数Λ了。当初为了维持静态宇宙而人为引入的参数，在哈勃用观测事实向世人证明宇宙的膨胀后，被爱因斯坦不无遗憾地承认为其“一生最大的错误”。
在接下来的几年中，爱因斯坦几次修改对引力波的判断。广义相对论的开山鼻祖尚且摸不着头脑，别的科学家更是莫衷一是。引力波强度微弱暂且不论，在它是否存在都有争议的情况下，任何严肃的探测引力波的努力都很难让人信服。
直到 1955 年费曼在一个会议上提出了著名的“粘珠”思想实验后，这一情况才基本尘埃落定。费曼的论证是这样的：想象一个珠子穿在一根柱子上，并且可以自由移动，垂直于柱子方向如果有引力波经过，将会产生相对于柱子中心的引潮力。而珠子在引潮力的作用下会相对柱子运动，如果有摩擦就会产热，所以引力波是物理实际的。一干物理学家要求费曼说人话，于是有一个叫做赫尔曼·邦迪的青年帮费曼总结了一下：引力波在理论上会导致物体摩擦生热，热就是能，它的源头只能是引力波，所以引力波肯定有能量。如果引力波仅仅是一个数学游戏，它不可能无中生有地产生能量，所以它是有物理效应的。
确定引力波是真实存在的物理效应以后，终于可以考虑探测的问题了。简单来说，很难。
和电磁波相比，引力实在是很弱的力，比起表征电磁力强度的精细结构常数，表征引力强度的引力常数G要小上好几个数量级。而且引力波实在是很“懒”，很少与物质发生任何作用。假设一列引力波以平面波形式传播，在真空的宇宙空间中，它不会有任何衰减，永远传递下去。但如果存在物质，就会与引力波相互作用并吸收一部分引力波携带的能量。
设想宇宙中堆满了番茄酱，正如费曼所指出的那样，引力波经过这堆番茄酱时，多少会损耗一些能量。那么这垛番茄酱砌成的墙得多厚，才能吸收掉 1%的引力波能量呢？1光年？1000光年？100万光年？都不是！答案是，差不多 400万亿光年！要知道，可观测宇宙的尺度也不过是1000亿光年左右。也就是说，要把4000个宇宙首尾相连，堆满番茄酱，当一个引力波穿过之后，也不过才损失了1%的能量（顺便提一下，这个过程需要花上400万亿年）。
那么，我们到底怎样才能测量引力波呢？脑洞大开的科学家憋着什么大招呢？请持续关注科学人，尽请期待：引力波，一个世纪的求索（二）。
（编辑：Steed；排版：Sol_阳阳）
题图来源：哈佛大学
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