引力是自然界中四種基本相互作用力之一，也是最早被人類認(rèn)識(shí)的基本相互作用力。牛頓被蘋果砸中發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的故事想必大家都不陌生，其實(shí)，引力的想法最早可追溯到伽利略，但真正被系統(tǒng)性地提出是在1687年，源自牛頓撰寫的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。
其他三種基本作用力——電磁力、弱力和強(qiáng)力，在量子理論出現(xiàn)后，在標(biāo)準(zhǔn)粒子模型的框架下獲得了統(tǒng)一。很多科學(xué)家，包括愛因斯坦在內(nèi)，都試圖構(gòu)建一個(gè)大統(tǒng)一理論，將引力也統(tǒng)一進(jìn)去。但遺憾的是，到目前為止都未獲成功。從這個(gè)意義上說，引力雖然最早被人類認(rèn)識(shí)，但也是認(rèn)識(shí)得最不清楚的基本作用力。
目前公認(rèn)的描述引力的最佳理論是愛因斯坦于1915年提出的廣義相對(duì)論，認(rèn)為引力的本質(zhì)其實(shí)是時(shí)空本身的彎曲。我們可以用一個(gè)二維橡皮膜來類比四維時(shí)空。當(dāng)我們把大質(zhì)量物體，如太陽和地球，放在橡皮膜上時(shí)，物體所處的地方就會(huì)向下凹陷，周圍會(huì)被拉伸變形，大質(zhì)量物體周圍的其他物體就會(huì)向大質(zhì)量物體中心滾落。中心大質(zhì)量物體越致密，形成的凹陷就越深，附近的變形就越大。當(dāng)中心物體是黑洞時(shí)，形成的變形是如此之深，如果靠得太近，即使是光都無法逃脫掉落到黑洞中心的命運(yùn)。
廣義相對(duì)論有諸多預(yù)言，如行星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)、引力紅移、光線偏折、雷達(dá)回波的時(shí)間延遲、磁型引力效應(yīng)等，都已經(jīng)被太陽系中的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。那么在更大尺度，如星系或宇觀尺度，廣義相對(duì)論還能否被觀測(cè)所嚴(yán)格驗(yàn)證？
20世紀(jì)30年代，美國加州理工學(xué)院的天文學(xué)家弗里茲•扎維奇在觀測(cè)螺旋星系旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，發(fā)現(xiàn)星系外側(cè)的旋轉(zhuǎn)速度比引力理論預(yù)期的快，故推測(cè)有數(shù)量龐大的質(zhì)量拉住星系外側(cè)的恒星，使其不致因過大的離心力而脫離星系。扎維奇還發(fā)現(xiàn)，大型星系團(tuán)中的星系具有極高的運(yùn)動(dòng)速度，除非星系團(tuán)的質(zhì)量是根據(jù)其中恒星數(shù)量計(jì)算所得到的值的100倍以上，否則星系團(tuán)根本無法束縛住這些星系。
為解決這一問題，科學(xué)家發(fā)明了暗物質(zhì)的概念——宇宙中有大量暗物質(zhì)，特別是存在大量的非重子物質(zhì)的暗物質(zhì)。據(jù)天文學(xué)觀測(cè)估計(jì)，宇宙的總質(zhì)量中，重子物質(zhì)約占4%。也就是說，宇宙中可觀測(cè)到的各種星際物質(zhì)、星體、恒星、星團(tuán)、星云、類星體、星系等的總和只占宇宙總質(zhì)量的4%，96%的物質(zhì)還沒有被確切地直接觀測(cè)到。
1929年，經(jīng)過9年的努力，愛德文•哈勃獲得了40多個(gè)星系的光譜，發(fā)現(xiàn)這些光譜都表現(xiàn)出普遍性的譜線紅移。如果這是緣于星系視向運(yùn)動(dòng)而引起的多普勒移動(dòng)，那說明所有樣本星系都在做遠(yuǎn)離地球的運(yùn)動(dòng)，且速度很大。哈勃根據(jù)“所有星云都在彼此互相遠(yuǎn)離，而且離得越遠(yuǎn)，離去的速度越快”的天文觀測(cè)結(jié)果得出結(jié)論：整個(gè)宇宙在不斷膨脹，星系彼此之間的分離運(yùn)動(dòng)是膨脹的一部分，而不是由于任何斥力的作用。
為解釋這一現(xiàn)象，科學(xué)家在愛因斯坦廣義相對(duì)論的場(chǎng)方程里加入了一個(gè)“宇宙學(xué)常數(shù)”，它可促使所有星系或者其他物質(zhì)加速遠(yuǎn)離�？茖W(xué)家將這種與引力相反的斥力來源稱為“暗能量”。
迄今我們能夠給出的只是一個(gè)十分粗略的宇宙結(jié)構(gòu)圖景：我們所熟悉的世界，即由普通原子構(gòu)成的一草一木、山河星月，僅占整個(gè)宇宙的4%；22%為暗物質(zhì)；作為最大組分的74%，則由最為神秘的暗能量構(gòu)成。暗能量無處不在、無時(shí)不在，由于對(duì)其性質(zhì)知之甚少，科學(xué)家還不清楚如何在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證其存在，惟一的手段仍是通過天文觀測(cè)來了解其奧秘�？梢哉f，籠罩在當(dāng)代物理界上空的兩大“暗云”——暗物質(zhì)和暗能量，都與引力息息相關(guān)。
讓我們?cè)倩氐胶诙瓷蟻�。黑洞是廣義相對(duì)論最重要的預(yù)言之一，雖然很多天文學(xué)觀測(cè)都表明黑洞確實(shí)存在，但我們對(duì)黑洞的具體性質(zhì)仍知之甚少。比如，黑洞是如何產(chǎn)生并長(zhǎng)大的？黑洞的視界究竟是怎樣的存在？黑洞的奇點(diǎn)是怎么回事？廣義相對(duì)論在黑洞奇點(diǎn)真的失效了嗎？量子力學(xué)在黑洞奇點(diǎn)起作用嗎？這些問題都需要我們進(jìn)一步研究引力理論，進(jìn)一步了解引力本質(zhì)。
目前，人類的科技進(jìn)步已經(jīng)到了即將揭示引力本質(zhì)、發(fā)現(xiàn)宇宙奧秘、開啟新一輪物理學(xué)革命的前夜。引力波研究很可能是這一系列變革的前哨。
引力波是愛因斯坦廣義相對(duì)論的另一個(gè)重要預(yù)言，是時(shí)空曲率的擾動(dòng)在時(shí)空本身的傳播。如果以水面來比喻時(shí)空，那么引力波就是時(shí)空的漣漪。在某些特定環(huán)境之下，加速運(yùn)動(dòng)的物體能夠使時(shí)空曲率產(chǎn)生變化，并能以波的形式向外光速傳播，這就是引力波的產(chǎn)生機(jī)制。
引力波同其他物質(zhì)的相互作用極其微弱，這使得探測(cè)引力波相當(dāng)困難。也是因?yàn)檫@個(gè)原因，引力波攜帶的波源的信息可以毫無阻攔地穿過行進(jìn)中的星體、星云和星系，到達(dá)人類制造的引力波探測(cè)器。從這個(gè)意義上講，引力波是一種非常好的觀測(cè)手段，可以很忠實(shí)地反映波源的情況�？傊�，引力波能穿透電磁波無法穿透的地方，是電磁波的良好互補(bǔ)，為我們探測(cè)更深更遠(yuǎn)及黑暗面的宇宙提供了一個(gè)全新的窗口。
2016年2月，激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）宣布他們?cè)?015年9月14日觀測(cè)到了來自兩個(gè)黑洞并合時(shí)釋放的引力波，證實(shí)了愛因斯坦關(guān)于引力波存在的預(yù)言，并開創(chuàng)了一個(gè)新的研究方向——引力波天文學(xué)。之后，LIGO和室女座引力波天文臺(tái)（Virgo）科學(xué)團(tuán)隊(duì)又發(fā)布了第二、三、四次引力波事件的探測(cè)結(jié)果，標(biāo)志著引力波探測(cè)已經(jīng)進(jìn)入常態(tài)化。
2017年10月16日，LIGO和Virgo科學(xué)團(tuán)隊(duì)宣布首次發(fā)現(xiàn)雙中子星并合的引力波事件，同時(shí)國際引力波電磁對(duì)應(yīng)體觀測(cè)聯(lián)盟宣布發(fā)現(xiàn)該引力波事件的電磁對(duì)應(yīng)體信號(hào)。這是人類第一次同時(shí)探測(cè)到引力波及其對(duì)應(yīng)體，正式開啟了多信使引力波天文學(xué)時(shí)代。
引力波與電磁波一樣，是一個(gè)寬頻信號(hào)，承載了引力相互作用的基本自由度，探測(cè)和研究引力波為揭示宇宙演化、基礎(chǔ)物理學(xué)規(guī)律和相對(duì)論天體物理動(dòng)力學(xué)提供了新的方法和手段。同時(shí)，宇宙中存在大量的引力波源，包括起源于宇宙早期暴漲、反彈的原初引力波，宇宙早期相變產(chǎn)生的相變引力波以及黑洞和中子星并合產(chǎn)生的引力波等，覆蓋了從10-18Hz到104Hz的寬闊頻段。
不同頻段的引力波起源不同，對(duì)應(yīng)的科學(xué)目標(biāo)也不同，將從不同方面促進(jìn)基礎(chǔ)物理和引力波天文學(xué)、宇宙學(xué)的發(fā)展和突破。LIGO只是多種主流引力波探測(cè)方式中的一種，僅能探測(cè)約10Hz以上的引力波。因此，LIGO在引力波探測(cè)上的成功并非意味著人類有關(guān)引力波探測(cè)努力的結(jié)束；相反，它標(biāo)志著人類進(jìn)入了利用引力波進(jìn)行引力本質(zhì)、宇宙學(xué)和天文學(xué)研究的新時(shí)代。
在阿赫茲到飛赫茲頻段（10-18Hz~10-15Hz），宇宙極早期的時(shí)空量子漲落產(chǎn)生原初引力波，它與LIGO探測(cè)到的黑洞并合產(chǎn)生的引力波完全不同。發(fā)現(xiàn)原初引力波將從另一方面驗(yàn)證愛因斯坦的引力波理論。更重要的是，探測(cè)原初引力波是對(duì)宇宙起源理論，如暴漲理論、宇宙反彈、循環(huán)理論等最強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，對(duì)研究宇宙起源與演化的基本物理過程具有突破性意義，同時(shí)也是基礎(chǔ)物理學(xué)的重要研究手段。
在納赫茲頻段（10-9Hz），這部分引力波窗口具有豐富的天文學(xué)內(nèi)容和極高的研究?jī)r(jià)值。由于星系級(jí)黑洞的并合對(duì)于宇宙結(jié)構(gòu)形成和演化起著主導(dǎo)作用，這些引力波源的探測(cè)直接打開了探索宇宙結(jié)構(gòu)的引力波窗口。在基礎(chǔ)物理方面，這一頻段引力波探測(cè)可以獲得其他引力波探測(cè)技術(shù)難以測(cè)量的引力波偏振和色散等重要信息，從而提供進(jìn)一步檢驗(yàn)引力理論的可能性。
在中低頻頻段（0.1mHz~1Hz），大質(zhì)量黑洞并合、大質(zhì)量黑洞俘獲其他致密天體、雙致密天體繞轉(zhuǎn)、早期宇宙相變和宇宙弦等潛在波源都能產(chǎn)生頻率處于中低頻頻段的引力波。中低頻頻段引力波探測(cè)使得利用引力波深入研究大質(zhì)量黑洞成為可能，為理解大質(zhì)量黑洞的形成過程及其與宿主星系演化的聯(lián)系，理解在黑洞視界附近的強(qiáng)引力場(chǎng)下和宇宙尺度下引力的本質(zhì)提供關(guān)鍵信息，在科學(xué)上具有重大的意義。中低頻頻段引力波探測(cè)可以在雙恒星級(jí)黑洞從相互接近到最終并合的過程中，先于地面引力波探測(cè)器發(fā)現(xiàn)其引力波信號(hào)；可以覆蓋從宇宙演化極早期的TeV能標(biāo)的物理過程到現(xiàn)如今銀河系中的致密雙星繞轉(zhuǎn)，從黑洞視界附近的極小尺度到宇宙演化的極大尺度，其可探測(cè)對(duì)象幾乎存在于整個(gè)宇宙空間；可以對(duì)部分波源獲得最高的信噪比、最多數(shù)目的探測(cè)信號(hào)周期，對(duì)其的精密測(cè)量使得在高精度下測(cè)量強(qiáng)引力場(chǎng)下的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)成為可能，從而可以細(xì)致地檢驗(yàn)和研究引力理論�？偟膩碚f，中低頻頻段引力波探測(cè)的研究對(duì)象囊括了由近到遠(yuǎn)、由小到大的極為豐富的引力波源，探測(cè)范圍可以覆蓋整個(gè)宇宙空間，有望在基礎(chǔ)物理、引力波天文學(xué)和宇宙學(xué)研究中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
在高頻頻段（10Hz以上），恒星級(jí)致密天體，如黑洞、中子星等并合可產(chǎn)生周期在毫秒量級(jí)的引力波，可為檢驗(yàn)廣義相對(duì)論、研究黑洞性質(zhì)、探索致密雙星起源、研究極端條件下的物質(zhì)性質(zhì)、加深對(duì)星系動(dòng)力學(xué)及雙星演化的理解提供幫助。
引力波這個(gè)廣義相對(duì)論最重要的預(yù)言，只在最近才得到直接但有限的驗(yàn)證。從目前人類對(duì)基本相互作用的認(rèn)識(shí)來看，廣義相對(duì)論只是一個(gè)經(jīng)典理論，亟須進(jìn)一步發(fā)展。另外，引力理論對(duì)認(rèn)識(shí)宇宙及其演化、暗物質(zhì)和暗能量這兩個(gè)本世紀(jì)自然科學(xué)中最大的謎團(tuán)都具有關(guān)鍵的作用。引力波是研究引力理論、宇宙學(xué)和天文學(xué)的一個(gè)重要途徑，對(duì)其的研究已成為各國爭(zhēng)相追逐、未來搶占科技制高點(diǎn)的重要陣地之一�！�
（作者系中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究員）
《科學(xué)新聞》 (科學(xué)新聞2024年12月刊 科普)