波动的时空 http://tech.sina.com.cn/d/2007-03-20/09371424097.shtml
在平直的空间中，除了声音、光和原子物质的波澜外，我们再也不能想象还能有其它什么东西在波动。但真实宇宙中的确还有一种无处不在的“声波”从来没有被人类感受过，它是任何有质量的物体运动时都会发出的“声音”：小到绕核运动的电子发出的悉悉嗦嗦的声音，大到宇宙大爆炸远在137亿年前的那一声霹雳。它们是物质加速或者形变而激荡起的
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时空之网的颤抖。这个结论来自爱因斯坦根据弯曲空间的逻辑判断：任何可以被弯曲的事物在连续时间里都会形成波。池塘水面上的波纹，它们是水面形成的弯曲，我们的弯曲空间也一样，在弯曲过程中会形成时空的涟漪，人们叫它“引力波”。
引力波处处存在，声波不在的地方，它也存在；光波不在的地方，它也能存在。引力波能以光速穿过真空，从太阳传向地球的引力波可以轻而易举地穿透地球，实际上，任何物质对它来说，都是透明的，物质对引力波的损耗极小，它一旦从源头传出，便会携带能量和波源物体的运动信息永不消失。总之，这种奇怪的波是人类打开的一扇从没有打开过的未知窗口。
引力波也非常容易产生，许多加速运动的物体都可以发射引力波：一个跳跃的小球，挥舞双臂的人，月亮围绕地球的运动……凡是有质量的物质加速运动都能发射引力波，但都太弱了。如果让一根长为20米，直径为1.6米，重500吨的圆棒以能够撕裂自身的极限速度(约为每秒28转)围绕自身中心点高速转动，它发射的引力波功率也不过只有2.2×10-19瓦，要探测这样微弱的能量变化，即使利用今天最先进的技术也是不可能的。月亮围绕地球的运动，行星绕日公转……都能发射引力波，但到达地面时引力波的功率甚至比圆棒实验产生的功率还弱。
因此我们只能把目光投向宇宙中那些质量巨大的恒星。
中子双星的死亡之舞
宇宙间大质量天体的运动，是较强的引力波源。特别是一些双星体系，它们产生的引力波会更强大些。例如天狼双星在其附近产生的引力波功率可达到1.1×1015瓦，激起的引力波可以将附近一个太阳大小的恒星推开，但它们到达地球上时仅仅剩下1.3×10—24瓦，微弱得只能将一个原子震动。所以人们只能想办法间接地“观看”引力波的秘密。
双星是一种典型的引力波源。引力波能把双星的能量慢慢带走，使整个双星体系的能量变小。结果，双星相互公转的周期越来越短，到最后发生碰撞融合事件，在引力波的作用下完成一节死亡之舞。人们在有生之年是无法观看到死亡之舞的全程的，但只要我们能证实双星周期变短确实存在，尽管没有直接测到引力波，也是对引力波理论的有力支持。这就是天体物理家目前采用的方法。
幸运的是，1974年底，美国射电天文学家胡尔斯及泰勒发现了一颗名叫PSR1913＋16的射电脉冲星正在跳着这样的舞蹈。这颗星与众不同，是当时发现的惟一一对含有脉冲星双星中的一个成员，它以每秒200转左右的速度自转，同时以不到8小时一圈的公转周期与它的伴星绕转。在这样的“二人转”中，它们因激起时空的巨澜而逐渐损失能量，结果是二者越来越近，转得越来越快，预计相互在距离500公里的时候，就会以接近光速的速度碰撞而融合，成为黑洞。在碰撞的瞬间，惨烈的程度是没有什么可以比拟的，现在只知道那是宇宙间最能掀起时空浪涛的事件，甚至是时空的海啸！即使这样，我们的仪器仍然需要改进才能在地球上感受到它们传来的消息。胡尔斯和泰勒在随后近20年的精密测量中发现，那颗脉冲星和它的伴星相互旋转一周所花的时间每10年就要减少4秒，或者每年相互靠近大约1厘米，估计3亿年之后，它们的间距就会缩小到迎来死亡碰撞的程度。虽然人类还没有直接听到中子双星走向死亡时发出的引力波尖叫声，但已经看到发出那种尖声的“口型”了。人类开始感受一种陌生的动荡，那种时空的波澜，让沉重的星体变得好像水面上微微荡漾着的树叶。
暗夜里不安定的暴动
如果能够掀起时空巨澜的宇宙事件是那样的罕见，我们无限的宇宙将真正是无声的旷野。随着宇宙观测能力的提高，人们发现的事实远不是这样的，当我们的城市从躁动中沉睡下来时，那暗夜里的躁动在遥远的太空中从未停息过，简直是一场场暴动。
质量巨大的恒星最终都以超新星的形式走向死亡，那种波澜壮阔的死亡现象经常发生在我们的宇宙之中。当一个巨星坍缩而体积减小时，它的转动速度也要相应地加快，就像溜冰的人将手臂收拢后使身体转速加快一样。当一个旋转的红巨星坍缩成一颗直径20公里左右的中子星时，理论上它的转速比任何脉冲星都要快，伴随着高速的旋转，它在宇宙中激荡起阵阵强烈的引力波。
超新星不停地在我们的宇宙中爆炸，将时空扰动得动荡不定。在一个如我们银河系一样的星系中，每10年到100年就有一次这样的时空暴动；在我们可以观测到的宇宙中，超新星以每秒钟1000颗的速度爆炸着。如果把这个区域浓缩到你目力能及的夜空，你将看到天空中出现比任何人间焰火还要灿烂的壮观场面，相信你也因此能感到引力波冲击你的衣履如晚风中树叶的瑟瑟。
但是这样的故事还没有完。部分从超新星坍缩并有幸形成双星的脉冲中子星，还将继续在时空的池塘里鼓荡着。特别是在双星合并的最后一分钟，它们会发出老鼠一样极端兴奋的“吱吱”声，激烈震荡的引力波能量等于10万个银河系的光波总能量。这样的中子星双星仅在银河系中就大约有10万个，每一万年中就能有一个走向死亡融合。遗憾的是，即使这样多的暴动在不停地掀起时空的波澜，人类还很低劣的检测技术依然难以探测到它们。
除了中子星双星能够发出兴奋的呼叫之外，其它类型的双星致密天体当然也会大呼小叫。引力波的频率范围非常宽广，不同天体不同运动事件将产生各不相同的音色。实际上，我们的太空不但色彩艳丽，而且声音动听，那里既有各种“鸟鸣兽吼”，也有呢语喃喃；那里既有悠扬的小夜曲，也有壮丽的赞颂宇宙的交响乐。就像用收音机收听音乐台一样，你需要的只是调台选择倾听。
这些声音中声调最尖利的，大概是由超新星剧烈膨胀或坍缩﹑中子星旋转以及致密双星合并这一类突发事件所发出的，这种引力波的波长大约300公里到3万公里，频率在10到1000赫兹，我们可以在地面通过仪器来直接听到这种处于人耳可辨声波频率范围的引力波。
然后就是更加低沉的﹑更像是从宇宙的巨人们的喉咙里发出的嗡嗡声，例如由几百个到几千个太阳质量的超大质量黑洞﹑或一对相互旋转的大恒星双星发出的引力波，其波长大约为百分之一到10个天文单位，这样低沉的“声音”是无法通过地面实验来感知的。
最神秘的，还是波长至少达10光年的引力波，它们起源于宇宙的早期，甚至是大爆炸炸响的瞬间，宇宙学家把它们描述为宇宙弦的振荡——在低声述说着这个宇宙最深藏的秘密。但以目前科学技术的发展趋势，还看不到能够对它进行测量的任何可能。
倾听永不消失的引力波
为了捕捉到引力波，数十年来，人们一直孜孜以求地尝试着各种探测器制造技术和理论。只有打造好了一只灵敏的“耳朵”，我们才能听到最隐秘的声音。在全世界，致力于引力波探测的科学家们正在为我们创造越来越先进的倾听引力波的“第三只耳朵”，有了它，宇宙太空中的星系生活将不再只是望远镜中的哑剧。
引力波的传播与其它的波都不相同，当它穿过物体时，首先是将物体左右拉长，再挤压回到原来状态；然后是上下拉长，再挤压回到原来状态。如果引力波作用在一个圆形截面的物体上，我们将可以看到圆面上下左右地拉长，从而使物体形状在圆形和椭圆形之间来回震荡。这就是所谓的四极震动波。科学家们根据这个原理，设计了四个大小几乎一模一样、表面极端光滑的悬挂小球组成的探测仪器。当引力波穿过它们时，人们就会看见四个小球相对着先左右远离，靠拢；再上下远离，靠拢。当然，这个移 动的距离会很微弱，甚至不超过氢原子大小，而且变动速度与光速一样迅速，但今天的技术足以能够观察到这隐秘的波动了。今年4月初由美国航天局发射的“引力探测器B型”卫星，就是依据这个原理制造的。科学家可以根据这个距离地球635公里高处的卫星中，四个乒乓球大小的石英小球的定向变化，判断宇宙的时空结构是否发生了波动。
除了直接利用物质的波动运动来探测引力波外，运用得更多的是根据引力波对光的干涉原理，制造成的各种激光干涉仪引力波探测器。目前世界上在建和已经开始运行的地面引力波探测器包括美国的LIGO，意大利的VIRGO，德国的GEO和日本的TAMA。它们的结构大体类似，都是由两个成90度交叉的长长的真空管臂组成，只是真空管道双臂长度不同，其中LIGO的长达4公里，VIRGO的长达3公里， GEO的600米，TAMA的300米。以规模最大的LIGO为例，它从一个地方发出两束激光，经远处平面镜反射后又回到起点汇合。如果这两束激光的波长在这个传播路途中没有改变，他们返回后形成的光斑亮度还和原来一样。但是，如果有较强的引力波干扰了它们，使他们各自传播的空间发生了距离改变，再返回来时就不会和先前一样汇合了：要么波叠加使光亮变强，要么波峰和波谷相互抵消使光变暗甚至消失。预计两个臂发生长度改变只有一个氢原子大小的1亿分之一。LIGO设在美国的一个平原上，专门用来接收来自银河系的中子星或者黑洞运动引起的高频率引力波。
可是地面上建造的“耳朵”，再大也不能听到超大质量黑洞发出的更低沉的呼噜声，因此欧洲航天局和美国航天局合作，正在着手进行名为 LISA的太空引力波探测器研制。它由三颗卫星组成，将在2008年发射升空，排列成一个边长为500万千米的等边三角形，并静静地呆在绕太阳公转的轨道上。由于LISA有一个500万千米的超长“手臂”，比起LIGO等其它探测器来不知要灵敏多少倍，它可以很容易地听到来自宇宙更深处声音喑哑的低频引力波甚至宇宙早期发出已经成为背景的低音。
引力波，你可以做什么？
我们已经能够利用各种频率的光波观看物体的形状，已经能够利用各种波段的声波倾听物体的声音，我们似乎已经不需要什么别的手段来更好地了解物体了。但是人们还看不见黑洞、看不见星体的内部、也看不见被尘埃遮蔽的星云中央和宇宙大爆炸时的宏伟场面，这个宇宙人类无法看清的东西太多了。我们能不能像看一个玻璃球一样看黑洞、我们的地球和月亮，能不能听到137亿年前那最震撼的宇宙大爆炸声响？
人类为了寻找地外智慧生命，曾经用各种各样的电磁波和声波向太空发送我们地球人的各种信息，其实这样的信息载体究竟能够穿越时空多远，是很值得怀疑的，在日常生活中，我们的电磁波和声波太容易被物体阻挡了。而在浩瀚的宇宙中，我们的电磁波望远镜要穿透一颗星体几乎不可能，所以迄今所获得的关于宇宙天体的信息，都很难直接显示出天体内部的真实情况。
引力波的横空出世，将让人们观察物体的角度发生革命性的改变。如果利用引力波观测，这个世界将变得更加绚丽和热闹，所有的问题也更加透明而明晰。引力波能够让人类的感觉触及宇宙事件的每一个角落和细节：耀眼的超新星爆炸不再是哑剧，它从引力波中传来爆米花一样的声音；中子星的碰撞、黑洞的创生像一场高昂的大合唱；你甚至能听见宇宙炸开、但光子都还没有跑出来之前那阵空前绝后的轰响。光波让我们的视觉贯穿时空，而引力波则让我们听见过去和现在，那是又一种多么奇妙的时空穿越呀。
比起电磁波来，引力波更能畅通无阻，通过无处不在的时空网络，任何物体的运动都在向外传递它最丰富的信息。如果用引力波来发射电视信号，高高的电视塔和通讯卫星都会成为过去。也许宇宙中的地外智慧生命早已通过引力波来通讯了，但是我们人类没有一个相应的“信箱”可以接收到它们特殊的信件。在宇宙中，引力波更能够直接告诉我们超新星爆发时内部所发生的很多情节；我们一直看不透的黑洞，在引力波望远镜面前也许就透明得如同一只美丽的玻璃花瓶，要了解那神秘的奇点也许不再完全依靠想象了。
但是更奇特而实用的，应该是人类可以凭借引力波的波动做“冲浪运动”了。引力波震荡时，可以将空间拉伸和挤压，使时空距离变长或者缩短。你坐在中国上海家中的餐桌旁，依赖定向发射的一阵引力波，你忽然就落在了美国繁忙的纽约公司里。这个速度比眨眼还快，因为引力波以光速传递时空的形变。
也许你不知道，“制造”这个宇宙的真正力量还是引力波。宇宙大爆炸后，能量与物质完全均匀分布，没有一种力量打破这种均衡，就不会启动能量凝聚成大块原子、尘埃、恒星和星系。是与爆炸同时产生的时空涟漪扰动了宇宙，使物质碰撞、堆积，反过来更大质量的星际物质加剧了时空网络的扭曲，物质的演化开始循环加速了。
从光速不变原理的萌芽，到逐渐完成一个弯曲空间的宇宙构想，最终又认识到波动时空这一宇宙的本真，爱因斯坦的这一段光辉历程不但为人类构建了一套前所未有的伟大相对论，也为人类发掘出了一座引力波的伟大宝藏。我们不能完全想象得到引力波的神奇用途，但是它带给我们的每一种想象与期待，都是从未有过的迷人和壮丽。利用引力波，将是人类最伟大的创造，而为人类展现引力波神话的先驱爱因斯坦，将成为最伟大的为人类盗取真理火种的现实中的普罗米修斯。
是的，我们对于宇宙的理解直到今天仍然不能超越爱因斯坦；是的，我们的宇宙就是爱因斯坦的宇宙。
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