倾听引力的声音

2016年2月11日,美国国家自然科学基金会携加州理工学院、麻省理工学院以及LIGO科学合作组织的专家向全世界宣布,美国的LIGO(激光干涉引力波观测站)首次直接探测到了引力波,消息轰动了世界。
电影《星际大战》中的欧比王讲过一句可能是电影史上最经典的台词,形容原力是“由所有生物创造的能量场,它环绕在我们周围,渗透进我们体内,而且凝聚了整个星系。”虽然这句话曾流行一时,但是很多人并不了解这其中的“原力”指什么,实际上按描述来说更像引力。
许多人都听过自然界存在四种基本力的概念,这四种基本力分别是:引力(引力)、电磁力、弱核力以及强核力。那为什么原力指的是引力,引力真的配吗?
提出疑问的人自然有他的理由,引力和自然界中其他的力相比,确实显得弱爆了,你很难徒手将一个苹果分成两半。因为维系着苹果的结构的,大部分是存在于分子之间的电磁力。但是你却可以很轻松地克服引力把一颗苹果扔得老高。
话虽如此,我们不可否认的是引力是如此重要,它的作用能够扩及整个宇宙,并且有着丰富的内容等待人类去继续探索和了解。
现在地球气候变迁是个热点问题,但是科学家研究这个问题时却不敢把引力不放在心上。因为地球的水文循环对于气候研究别具意义。水的移动不论是在地表、海洋、云层、河川,还是在大气层中,都对全球气候有巨大的影响。我们要如何了解地球上水的移动与变化呢?当然得靠引力。人类卫星所受引力导致的轨道改变,往往可以精准地测量某一处的引力场,并且进一步推算出当地的质量。2002年,美国航空航天局启动了一个名为“引力回溯与气候实验”的任务,内容是让两个卫星通过微波信号监测彼此的轨道,持续五年监测地球的引力场,从而了解引力场如何随着地球上的水和冰层的移动而变化。
除了气候检测,引力还通过GPS的形式与我们日常生活紧密结合。飞机、车辆、手机通信常需要用到GPS定位服务。GPS的工作原理是是三角测量,也就是说,如果你和两颗卫星之间的距离相等且固定,你的GPS导航装置会接收到两边送出的相同定时信号。如果你比较靠近其中一颗卫星,那么你从这颗卫星接收到定时信号的时间会比其他较远的卫星更早。根据这个时间差,就能判断你和各个卫星之间的距离。从而计算出你的位置了。
但是为什么说GPS跟引力有关系呢?因为在地球的引力场中,卫星所在的位置比你高得多,而根据相对论,时钟在卫星上行走的速度是不一样的。有多不一样呢?一天内大约有38微秒──也就是百万分之38秒的差别,你可能会想“这差别很小嘛”。但是根据信号接收的原理,你得这样想,在38微秒内,光行进的距离是11.4千米!如果不加以修正,这误差就很大了。
除了在实际的应用,引力对理论物理界又有什么影响呢?这涉及到一个引力辐射的概念。这个概念在1918年由爱因斯坦首次提出,他发现存在一种引力辐射,这种带有能量的引力是从星体或星系发出的,朝着遥远的宇宙边际辐射出去。爱因斯坦对此要进行实验验证和测量显然是不可能。不过现在条件不一样了,我们有精确度极高的高功率激光、有准确的GPS定位系统、有高效能计算机,此外还有遍布全球的网络。综合以上各种利器,我们就有能力将爱因斯坦渴盼的梦想变为现实,测量那股来自宇宙遥远彼端的微弱引力回波。如果幸运的话,或许还能探测到那激烈的超新星爆炸、感受黑洞趋向塌缩的螺旋之舞,接收脉冲星最终化为宇宙星尘发出的低吟。
引力波天文学让我们能以全新的角度,重新探究我们的起源和地球在宇宙中的定位。引力科学,看似简单,却依然是我们需要花时间却更多研究和发现的课题。