科學松鼠會 ? 了解世界的第三隻眼

科學松鼠會發表於 2011-07-13 13:27

作者：唐雲江

聲波和光波充滿我們世界，並能被我們感知到，是宇宙中兩種最基本的波動形式。使用儀器設備能夠延伸我們的感官，我們幾乎能「聽到」所有的機械波，「看到」所有的電磁波。這樣，我們就能「聽到」地球內部的結構，「聽到」深海中的魚群，「看到」銀河系的樣子，「看到」上百億光年遠的星系，甚至能「看到」宇宙大爆炸後38萬年時（宇宙開始變得透明）的景象。

聲波需要介質，即要有連續物質的分布，氣態、液態、固態都可以，它是物質間電磁作用力的一種表現，其（縱波）形式就像多米諾骨牌，倒下一張，推倒前面的一張，如此連續下去，直到所有的骨牌全部倒下。不同的是，聲波物質（粒子）「推跑」了自己前面的粒子後還要借勢回復到原狀，不用你重新碼牌。有趣的是，聲波傳遞的速度只與物質的種類和集合在一起的方式有關，與聲大、聲小、聲高、聲低無關。沒有物質連續分布聲音就終止了，我們聽到的聲音都限於地球範圍內，宇宙空間聽不到聲音。

光波不同，它是一種變化的場，不需要實體物質。哪裡有電場的變化，哪裡就有變化的磁場，磁場的變化又引發變化的電場，如此往複在空間中你追我趕，形成了電磁波。它的性質只依賴於電和磁的作用關係，所以在真空中光的速度是恆定的。電（磁）場變化快一點（時間變化率大），光的頻率就高，變化慢一點，頻率就低。如高速運動的電子碰到「牆上」（金屬靶），速度瞬間變為零，其產生的磁場也幾乎瞬時變為零，這時電場瞬間變得很強，這就會放出高頻的光，如X射線。

波動是宇宙中傳遞能量和信息的載體，是我們了解外部世界、了解宇宙的窗口，仔細想想，好像只有聲和光這兩種主要方式。還有沒有第三種呢？可能會有。

在牛頓力學中有個萬有引力定律，只要有質量就會有引力，而且這種力是超距作用的，無論兩個物體相距多遠，都是瞬時指向對方。宇宙中光速是上限，萬有引力憑什麼搞特殊化？愛因斯坦眼光獨到，發現牛頓力學中的兩個質量（引力質量和慣性質量）原來可以是一回事，比如你在電梯里沒法知道電梯是在加速上升還是靜止在一個大質量物體的表面。利用這個等效原理，愛因斯坦得到了廣義相對論的引力方程，這個方程中沒有了萬有引力，不存在超距作用，有的只是被質量和能量變形的空間（時空），引力不過是扭曲的時空的一種效應。重的物體扭曲了周圍的時空，輕的物體圍繞重的物體運動，只不過是輕的物體在扭曲的時空中沿著最短路徑作「慣性」運動。電荷被加速時會發出電磁輻射，有質量的物體被加速時也會發出引力輻射，這是廣義相對論的一項重要預言。我們可以把它類比於機械波，如果某一點的時空結構發生變化，這種變化會影響它周圍的時空，這種影響以波動的形式向外傳播，並依次影響到整個空間，這實際上是一種時空結構的波動，也就是所謂的「引力波」。

我們拿太陽系來做一個「實驗」：假如太陽可以瞬間消失，八大行星會怎樣？在牛頓看來，太陽消失的瞬間，八大行星會同時察覺到太陽沒了，並同時沿著切線方向飛離出去；在愛因斯坦看來，太陽消失了，被太陽扭曲的時空會迅速變得平直，這種變化會向外傳播，依次經過水星、金星、地球、火星……它們分別感受到一次「震動」，最先從水星*開始依次發現自己所在的時空變得平直，並依次沿著平直時空「飛離」出去。這是牛頓力學與愛因斯坦相對論最根本的不同，其他相對論的預言如水星進動、光線彎曲、引力紅移等等用牛頓力學拼拼湊湊也能勉強解釋，引力波如果真的被檢測到，那必定是牛頓力學的滑鐵盧（死穴）。

檢測引力波的原理很簡單，時空波動（變形）會使物體的位形發生改變，比如一根長桿會發生壓縮或拉伸，但一般空間物質運動變化產生的引力波都很弱，檢測難度很高，像太陽突然消失會產生一個強「脈衝」，相對比較容易檢測到，不過太陽瞬間消失不太可能發生。人們推測，像超新星爆發、引力塌縮、黑洞合併等會產生可檢測到的效應，雙星系統也可發出連續的引力輻射。人們設計了各種檢測方法，最靈敏的是激光邁克爾孫干涉儀，可測量垂直的兩條長臂之間微小的長度變化。各國已經建造多台測量設備，有代表性的是美國「激光干涉引力波觀測台」（LIGO），臂長2公里。目前還沒有直接檢測到引力波的可靠證據，倒是通過雙星系統間接證實了引力波的存在。由於引力波實在太弱，地面背景干擾（噪音）又較大，最雄心勃勃的是歐洲空間局和美國航天局的「激光干涉空間天線」（LISA）計劃，他們打算在2015年前後在空間建立一個1000倍地球大小的巨型探測系統。