電磁波和引力波

也難怪很多人對LIGO探測到的引力波質(zhì)疑，因為這次結(jié)果的確是太突然、太幸運了。并且，盡管愛因斯坦在1916年就預言了引力波，但他對自己的這個預言的態(tài)度也是反反復復頗為有趣的。

愛因斯坦本人直到1936年對此還尚未有一個確定的答案。他曾經(jīng)在一篇論文中得出“引力波不存在”的結(jié)論！但因為該文中他的計算有一個錯誤，被“物理評論”拒絕。當年，憤怒的愛因斯坦轉(zhuǎn)而將此文投給“富蘭克林學院學報”，文章即將發(fā)表時愛因斯坦自己也發(fā)現(xiàn)了他的錯誤，于是將文章標題改變了[1]。后來又設法重寫了論文，計算核實準確了之后才在1938年發(fā)表[2]，最終確定了引力波的存在。

對大眾而言，“引力波”、“黑洞”，“相對論”，這些遠離人們?nèi)粘Ｉ畹拿~，突然一轉(zhuǎn)眼就變得現(xiàn)實起來。并且，LIGO這次探測到的雙黑洞融合事件還是13億年之前就已經(jīng)發(fā)生了的事件，輻射的引力波在茫茫無際的宇宙中奔跑了13億年之后，在其能量為頂峰的一段短暫時間內(nèi)（約0.2秒），居然被當今的人類探測到了，這些人們難以想象的天文數(shù)字，聽起來的確像是天方奇談。

不過，大多數(shù)人對電磁波還比較熟悉，起碼這個名詞經(jīng)常聽到，因為它與我們現(xiàn)代社會通訊系統(tǒng)密切相關(guān)。那么，既然引力波和電磁波都是“波”，我們就來比較一下這兩個“兄弟”，以此加深大家對這次引力波探測事件的理解。

從赫茲實驗到LIGO

英國物理學家麥克斯韋于1865年預言電磁波；愛因斯坦于1916年預言引力波。

1887年，赫茲在實驗室里用一個簡單的高壓諧振電路第一次產(chǎn)生出電磁波[3]，用一個簡單的線圈便能接受到電磁波；2016年，美國的LIGO第一次探測到引力波[4]，團隊的主要研究人員就有上千，大型設備雙臂長度4公里，造價高達11億美元，見圖1。

電磁波從預言到探測，歷時23年；引力波從預言到探測，歷時100年。

圖1：電磁波和引力波探測設備

從上面的數(shù)據(jù)可見，引力波的探測比電磁波的產(chǎn)生或接受困難多了。其根本原因是由于兩者的強度相差非常大。

世界上存在著4種基本相互作用。其中的強相互作用和弱相互作用都是“短程力”，意味著它們只在微觀世界很短的范圍內(nèi)起作用。4種相互作用中，引力是強度最弱的，它比電磁作用，至少要小10-35倍。

加速運動的電荷q輻射電磁波，加速運動的質(zhì)量m輻射引力波。

電磁波的強度能夠容易地在實驗室中被探測到，但從現(xiàn)在的技術(shù)觀點看起來，強度比電磁波小三十幾個數(shù)量級的引力波，不可能在實驗室中測量到，也不太可能在近距離的普通天體運動中觀測到。

根據(jù)廣義相對論進行計算，最有可能探測到引力波的天文事件，是大質(zhì)量星體的激烈運動。比如說，雙中子星或雙黑洞互相繞行最后融合的事件。那段過程中，雙星系統(tǒng)將發(fā)射出巨大數(shù)量的引力波。對于宇宙中發(fā)生的此類事件，天文學家們已經(jīng)研究很長時間了，事實上，1947年，在歐洲的華人物理學家胡寧發(fā)表的《廣義相對論中的輻射阻尼》一文中，就最早對雙星系統(tǒng)的引力輻射效應作出了理論證明[5]。1975年，兩位學者從觀測雙中子星相互圍繞對方公轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)，間接證實了引力波的存在[6]，并因此榮獲1993年的諾貝爾物理獎。近年來，人們對雙黑洞的碰撞融合過程進行了大量的計算機數(shù)值計算和圖像模擬，也從統(tǒng)計學的角度，研究了各類質(zhì)量的雙黑洞碰撞在宇宙中發(fā)生的概率，及地球上探測到這些事件輻射的引力波的可能性。通過這些多方面詳細深入的研究，科學家們對引力波的探測信心倍增，才在幾十年前啟動了LIGO的巨資大工程項目。并且，不僅僅是美國，還有歐洲的VERGO，印度的LIGO，日本的KAGRA，等等，都陸續(xù)在升級或建造中，見圖2b。除此之外，還有探測引力波的空間站，比如LISA等，則定位于更為低頻的引力波源。

圖2（a）無線電通訊網(wǎng)（b）引力波的全球探測網(wǎng)

即使是黑洞碰撞產(chǎn)生的強大引力波，傳播到地球時對地面上物質(zhì)產(chǎn)生的影響也只是微乎其微，因為這些事件都是發(fā)生在很遙遠的宇宙空間。話說回來，這也是人類的幸運，地球位于廣漠宇宙中一片相對平靜的空間區(qū)域，人類繁衍于一段比較安全的時間間隔。否則的話，我們也就不可能在這兒討論引力波了。引力波和電磁波一樣以光速傳播，傳播一定的距離需要時間，天文學中經(jīng)常用光旅行所用的時間來表示距離，稱之為“光年”。比如說，照在我們身上的太陽光就是太陽在8分鐘之前發(fā)出來的，也就可以說，太陽離地球的距離是8“光分”。而LIGO這次探測到的引力波呢，則是兩個黑洞13億年前發(fā)出的，或者說，雙黑洞與地球的距離是13億光年。