天體物理學有大發現的傳言已經在坊間流傳數天，6月30日終於水落石出：包括中國科學家在內的多國科學團隊同時發表了一系列論文，宣布我們找到了宇宙背景引力波的證據。通向宇宙秘密的道路，又開啟了新的一條。
美國著名理論物理學家基普·索恩在發布會現場。
01
什麼是引力波？
石頭扔到水裡會產生水波，電子加速起來會產生電磁波，引力波也是同樣的道理：一個具有質量、能產生引力的物體發生加速運動的時候所產生的波。很遺憾，引力作為一種力實在是太小了，小到一整個地球產生的引力都可能敵不過你的幾塊肌肉——把你的手機從桌子上拿起來，就是你的肌肉勝利的證明。而引力波更是微小到離譜，對我們的日常生活完全無法產生任何影響。
這也就不難理解了，為什麼19世紀的科學家就預言了引力波的存在，但此後的一百多年裡，人們根本無法探測到它。直到1974年，我們才間接觀察到引力波，而直接確認引力波的真正存在，已經是21世紀的事情了。
02
引力波不是舊聞了嗎？
2015年人類第一次直接觀察到了「引力波本波」。這一發現贏得了2017年的諾貝爾物理學獎。後來，科學家又檢測到了好幾次引力波，也都上了新聞。不過，之前的那幾次和這次有一點不同：那幾次都是「小」波，是中小型黑洞碰撞融合產生的。這一次是大傢伙！
其實，說之前「小」也不是非常公平。2015年那次觀察到的兩個黑洞，一個是太陽的36倍，另一個是太陽的29倍，以人類的尺度來說，已經大到難以想像了。可就算是這麼大的兩個天體，產生的引力波也只能讓4千米長的探測器伸縮千分之一個質子那麼大點而已。
但中小型黑洞的碰撞有一個好處，那就是它發出的引力波是高頻的，比較「尖細」，只需要區區幾千米的「小」探測器就能檢測到。如果是更大規模的引力變化，比如超巨大黑洞、大爆炸迴響什麼的，發出的引力波是低頻的，比較「低沉」，那就需要超長的探測器——整個地球甚至整個太陽系都擺不下的那種。
整個地球都裝不下，那人類怎麼可能造得出來呢？其實沒事兒，物理學家和天文學家經常遇到這種問題。他們非常擅長把自然界已經存在的超巨大物體變成探測器的一部分。這回，他們用的是天上的星星。
03
跨越虛空的群星之尺
1967年，英國天體物理學家約瑟琳·貝爾還只是一個研究生。但這一年，她發現了一種奇怪的天體，它會非常穩定地發射有規律的電磁波。有些科學家開玩笑說這可能是外星人給地球發射的信號。所以，她和她的同事給這個天體起了個外號叫「小綠人1號」。後續的研究很快證明這是純粹天然的現象，無需智慧生命的參與。
這種電磁波信號每隔一段固定時間就出現然後消失，像脈搏一樣，無線電傳統管這樣不連續的信號叫「脈衝」，所以發射這個信號的天體，就得名為脈衝星。脈衝星的發現後來得到了諾貝爾獎。（但貝爾本人卻沒有獲獎，這是諾獎歷史上對女科學家不公正的著名案例之一）
現在我們知道，脈衝星是中子星的一種，換句話說是「死掉的星星的屍體」。脈衝星發射出來的電磁波本身是連續的而不是脈衝的，但是它的電磁波只向自己的兩極發射，同時它又在高速旋轉，所以只有它的電磁波掃過地球的時候我們才能看見。從地球上看它，就像在大海上看燈塔的光一樣， 隔一段時間就閃爍一次。道理上講，閃爍的間隔對應它旋轉的間隔，應該是完全規律的——實際上，它的電磁波在抵達地球的路上會受到各種小干擾，所以能觀察到微小的不規律。
科學家盯上的，就是這個規律里藏著的不規律。
引力波是空間本身傳遞的波，當它改變探測器的長度時，改變的其實不是探測器本身，而是探測器所屬的空間。如果脈衝星的信號在來地球的路上遇到了引力波，它的路途本身就會因為引力波而變長或者變短，花的時間也會因此而變化。通過觀察這個變化，我們就等於是把我們和脈衝星之間的全部空間，都變成了引力波的探測器。
當然，這事兒說起來容易做起來難。能干擾脈衝星信號的除了引力波，還有很多別的因素，需要一一排除掉。而且引力波的影響極為微小，引發的周期變化也許只有1微秒，需要非常精密的儀器。所以世界各國的科學家聯手探測了二十多年，才得到了這次的結果。
04
引力波的搖曳海洋
這次發現的並不僅僅是單一的引力波事件，而是全世界的數據大成，來自北美、歐洲、澳大利亞、印度、日本，當然還有中國的全球研究者共同匯報了無數望遠鏡的觀測結果。這一結果支持了早已有之的猜想：宇宙沉浸在引力波的背景之中，每一個地方都有久遠的低頻引力波在震盪。
打個比方說：地球像一艘小船，漂泊在宇宙引力波的汪洋大海里，之前幾年我們探測到了船體的震動，證明這大海里存在波浪。但現在我們終於能探出頭來望向大海，親眼看到了遍布海面的浪花。
不過這也帶來了眾多新的問題，比如說， 我們並不確定這些低頻引力波來自於什麼事件。
這也沒辦法，宇宙里奇怪的東西太多了。兩個超巨大黑洞的碰撞看起來是最可能的原因，但還有很多其他可能的原因。也許是宇宙膨脹時的波紋？也許是早期宇宙相變留下的痕跡？也許是空間裡的缺陷網絡？關於宇宙的大尺度結構我們還有很多不知道的東西。
但也正因此，觀察低頻引力波背景才是這麼刺激的一件事：它給很多未知的宇宙事件打開了大門。
此外，這些結果的質量並沒有都抵達物理學的「金標準」。現代物理學的慣例要求一個結果要抵達「5σ」——也就是一種新現象純屬巧合的概率低於百萬分之一——才能當作「實錘」來看待。本次發表的結果並沒有都滿足這一要求。
以最嚴格的措辭而言，應該說本次發現「找到了符合引力波背景的證據」而不是「探測到了引力波背景」。但是，更多的探測和數據分析還在進行中，大多數人都相信這個方法很快就能獲得無可辯駁的5σ級別證據。
和宇宙相比，人類的感官所能覆蓋的範圍實在太過渺小。百萬年前一個人仰望星空時看到的或許超越了全部的人類體驗，但放在整個物質世界裡，他的所見連滄海一粟都不如。後來，人類發明瞭望遠鏡、無線電、光譜儀，宇宙的側面被一一揭開，但總有更多的秘密隱藏在人類感知不到的黑暗裡。引力波的探測是百萬年來無數新開啟大門裡最新的一扇，而引力波背景，則是它最新的里程碑。
路，還在延續。（作者：范崗 演化生物學博士生）
來源：科普中國