谁说引力波发现意义不大

     初五就传来一则科学界的重大新闻——首个位于地球之外13亿光年的引力波源被人类直接探测到。全世界的物理学界都激动得沸腾起来，可是过年中的中国人一片迷惘、冷淡，人们只管盯住眼前的利益感兴趣，更有的人不屑一顾，竟然还有人写文“引力波被发现意义不大”，真是无知者无畏！

     该文我一看，原来是“因为没有揭开万有引力的本质，引力波发现很难产生新的技术应用。”这些人做梦摸到肚脐眼都以为是一块金币。任何科技项目，只要眼前起不到实用效益，就不会被国人重视。而美国人为了探测到引力波信号，特别花上十多亿美元，建立了一个“激光干涉引力波天文台”（LIGO），该项目有超过1000名顶尖科学家参与其中，从1991年建设，2002年运行至今，才获得今天首个重要科学成果，傻不傻？

     闲话少说，还是让我们先搞懂什么叫引力波吧？我看过一些文章，都是太学术化了，让人实在难以理解，因为他们如抄“天书”一样，看似严谨，没有错误，但似懂非懂，没有自己理解的语言。

     什么叫引力波？

     对于“波”，我们并不陌生，生活中时常会听到水波、声波、无线电波、电磁波、光波等等，引力波也就是波的一种。虽说最初与牛顿苹果的万有引力有关，引力只是人类最早定量认识的相互作用。但真正认识引力的精髓，还不在于因物体存在质量才导致引力，而在于爱因斯坦提出了一种完全不同的对于引力的看法——引力是因为质量对于宇宙时空造成了变形所导致，而非质量之间的吸引力。这就意味着，我们对时空可被当做一种可以变形的介质来认识。什么叫介质？对波的传播起决定作用的物质叫介质。

     那么什么叫时空？即时间与空间。我们常说“星辰大海”，如果将时空当作为汪洋大海，海水就是能传播的介质，那么星球就如同海洋中的生物。可以想象，如果大海中的某条大魚摇摇尾巴，海水由此所产生的波动就会向外传播。与此类似，宇宙中某个星球剧烈的活动、相互碰撞，会对所在的时空产生扰动，时空自身的波动也会向远处传播，如果足够强，就能够为地球上的我们所感知。

     引力波与流体力学中的重力波很相似，当液体表面或内部液团由于密度差异离开原来位置，在重力和浮力的综合作用下，液团会处于上下振动以达到平衡的状态。即产生波动，引力波也称为重力波。引力波则是由于空间质量和速度的变化导致空间产生的波动。所以引力波简单来说，就是时空自身的波动。相比较我们熟知的无线电波，它仅仅是在时空之中传播，时空是它的媒介。所以理解引力波不是狹义理解为万有引力引起来的波，二者不属于一种概念。

     那么这次引力波的发现，其重大意义在哪里？首先这次引力波被发现，所带来的震撼意义：让人类“亲耳”听到了黑洞的存在！

     过去我们只听说黑洞吞吃恒星，绝大多数的黑洞都是孤独存在的天体，如同幽灵般，没有任何辐射或者辐射及其微弱，所以很难被发现。但是这一次完全不一样，两个天体都是黑洞，互相绕转，最后合并。双黑洞的质量分别为26和39太阳质量，属于恒星级黑洞。双黑洞合并中产生了非常强烈的时空振荡，所以我们遥远的地球才观测到了引力波。而且这还是距离地球13亿光年之外的一场引力波风暴，并以它的探测日期命名为 GW150914。

     这两个质量都比目前已知的恒星级黑洞要重许多。合并之后是62个太阳质量，是一个克尔黑洞（其自旋参数值为0.67）。对于黑洞的旋转，天文学家用一个叫做“自旋参数”的量来表示（也叫“史瓦西黑洞”），合并的时间非常之短，仅仅在大约0.05秒的时间，就将3个太阳质量（大约6.0E30公斤）的能量就通过引力波的方式释放出去，也就是说在一秒钟可以释放出大约10^32公斤的能量。黑洞合并的最后释放出比整个宇宙每秒钟辐射出的电磁总能量还要高出3倍。这个黑洞主要显示发射频率在240Hz左右的引力波。

     什么叫黑洞？黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而死亡后，发生引力坍缩产生的。黑洞的质量极其巨大，而体积却十分微小，它产生的引力场极为强劲，以至于任何物质和辐射在进入到黑洞的一个事件视界（临界点）内，便再无法逃脱，甚至目前已知的传播速度最快的光（电磁波）也逃逸不出。

     黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程：当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料，由中心产生的能量已经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，在自身重力的作用下迅速地收缩，塌陷，发生强力爆炸。物质将不可阻挡地向着中心点进军，直到最后被压缩成体积接近无限小、密度几乎无限大的一个密实的星体。而当它的半径一旦收缩到一定程度（一定小于史瓦西半径），由于高质量而产生的引力，使得任何靠近它的物体都会被它吸进去。质量导致的时空扭曲就使得即使光也无法向外射出——“黑洞”就诞生了。

     引力波的存在是挑战了传统的万有引力定律。引力波的发现证实了，地球之所以绕着太阳旋转并不是什么力拉着地球，而是因为质量特别大的太阳是时空造成形变，时空弯曲着，使地球形成了以太阳为中心运动的轨道。

     最后重大意义在于，人类从预言到探测，物理学家苦苦追寻等待引力波的到来已有一百年之久。为什么引力波这么难得一见？主要原因是，相比较其他的三种作用力（强力、弱力、电磁力），第四种“引力”是最弱的作用力，相应的引力波效应也就更弱了。由于这次双黑洞的合并，产生了强大的引力辐射，才以让辐射信号被探测到。引力波的探测，这将是一个不需要各种望远镜的全新的天文学领域；是天文学的一次革命性的重大变化；它将引领我们打开理解宇宙大爆炸、黑洞、中子星和其他难以采用传统方法进行观测到的天体类型的全新视野。

     2016.2.13

                           GW150914双黑洞合并图

                                碰撞的过程到的引力波探测