科学因你而精彩---引力波带来的思考

鲍海飞 2017-10-31

伽利略和哥白尼之后，我们对天体的认识有多少突破呢？

无论如何，引力波成为2017年科学界最时髦的名词。引力波引来了不少争论，引力波至今还是个迷，但无疑，引力波引领我们去思考宇宙，去思考时空的过去和未来。

波的性质充满了趣味性、复杂性和神秘性，比如光的干涉衍射等现象，这无疑让人联想到光子之间、光与物体之间的相互作用和光场的图像。波之所以神秘，就是因为波的本质到底是什么？它是如何产生的？自然界中又有多少种波？引力波又是什么样的一种波？有一些基本问题值得思考、认识和讨论。

1. 形形色色缘起的波。

      波反映了物质之间的一种相互作用，有其内在属性，又有其外在表象。内在属性是因为它是物质间的相互作用产生的，其外在在于它是物质相互作用的一种产物，通过介质媒体而传递。通过波的传递行为，人们可以追踪溯源，探究波的来龙去脉。波具有传递特性，这使得人们能够利用波来研究波和波与物质相互作用的关系和特性，甚至通讯。记忆中，电影《地道战》中，人们用一根根竹筒来喊话或者敲击来传递信息。

      用鼓槌来击打鼓，能够传递声音，这是鼓槌赋予了鼓的外力。在鼓这个封闭的空间，鼓槌击打鼓皮，压缩了鼓内部的空气，形成了振动。这个封闭的空间将其多余的能量释放了出去，产生了声音。小提琴则是通过琴弦与琴腔的共鸣产生了向外传递的声音。

      将一块石子投入水中，平静的水面上便荡漾起了阵阵涟漪，人们就这样描述水波，如古人所云：投石击破水底天。一头跳跃而起的鲸鱼也能够激起巨大的波浪。外力‘突然扰动’，数学上的一个Delta函数，成为震动之源。人们也用这种方式描述引力波。类比总是可以的，但引力波究竟是一种什么样的波，人们并不是太清楚，目前认为引力波是由两颗质量巨大的星体高速旋转相互缠绕过程中释放的产物。

      摩擦生电，电子空穴复合产生光子，燃烧木炭产生光和热，无疑，只要物质之间发生相互作用，就要产生某种效应，就要产生这样那样的后果，而波就这样做为一种产物被激发释放出来，它就要表现出这样那样的现象。单就摩擦生电生热这一简单过程来说，不仅产生了空气中的声波、还产生了相互摩擦介质中传递的声波，同时还产生了光子光波。更明显的例子是，空气中雷电过程，同时产生了声波和闪电光波。电子空穴复合一方面造就了晶格振动，另一方面也造就了光子。有了电荷，便有了电场的概念，两个电荷相互缠绕，于是便建立了动生电势电场的概念，以至于流动电荷下无线电电波的发射。

      就是说，一个相互作用的过程可能会产生几种外在的表现形式，并衍生出不同类型的波。反过来，知道了一种波，却难以判断和推理是什么原因、动力产生的这种波。强场相互作用，弱场相互作用，这背后隐藏着许多不解之谜。由此，引力波就是由两个质量巨大高速旋转缠绕的天体一定要表现出的某种作用方式，这可能是除了电磁、机械的相互作用方式之外，纯质量和引力相互作用下的另外一种结果和方式，这是值得深思的问题。

   
   

   2，能量和信息传递的使者。

      空气中的声波是靠空气分子传播的，具体的，是空气的密度在发生疏密的变化，但细究起来确是能量的传递和振动过程，需要空气作为介质来传递。固体中声波的传递也是靠分子间的传递作用引起，压应力波或者张应力波，产生的原因是一个扰动。光在真空能够传播，光不需要介质，光具有矢量特性，光本身就兼备具有粒子性和波动性，光子本身以光速前进。

      之所以说波的性质很神奇，是因为通过简单的牛顿力学和胡克定律就推倒出了固体中声波的传递速度和规律。声学波传递的速度与杨氏模量和密度有关。而从电场、磁场和电荷出发得到的麦克斯韦方程中，就能推倒出电磁波传递的速度，竟然是个常数-光速。

      这就促使我们思考，任何物质的相互作用都要产生波！由此看来，波虽然是一种伴生的现象，但却是物质内‘流动’的一种固有属性。波有一个产生的过程，而波是物质的，如光子；波是传递的，波是能量的。波的本质是一种能量的输运过程！即波是能量传递的一种方式，也是信息传递的一种方式。那么，引力波传递的是什么信息呢？

      光具有波粒二象性，这导致德布罗意推广为任何物质微粒都具有波粒二象性。那么，从上述所说，只要两个物质相互发生作用，那么就要产生波。因此，两个质量巨大高速旋转相互缠绕运动的物体就要产生波。那么，这二体之间要产生什么波？除了电磁波、机械波之外，或许期待的理论上的引力波成为一种主导。如果这个问题搞清楚了，引力波传递的信息也就明白了。于是引出了下面的问题。

   3，是牛顿的天空还是爱因斯坦的世界？

      宇宙之中存在着许多我们尚未知解的问题和现象。引力波属于哪种波？

      科学研究领域，究竟有多少种波？虽然说已知波有多种，如毫米波、红外波、可见光波、紫外波、x射线等，固体中传递的纵波、扭转波、表面波等。虽然其传播速度和波长等不同，又表现出矢量或者疏密等性质，但总的来说，离不开两大类波，一个是电磁波，一个是机械波。而且一类是快波，即以光速前进的波，而另一类是慢波，以相对较低的速度传播。无疑，这是否启示我们，世界的一半是属于牛顿的，另一半是属于爱因斯坦的？那么，问题是，引力波究竟是哪一类呢？是电磁波类，还是机械波类？还是独自的第三种类型波呢？从目前大家认为的它是一种以光速传播的来看，无疑，它属于快波，应该属于电磁波的范畴！但是，是这种情况吗？这值得继续研究和验证。

   
   

   4，宇宙深处的灯火。

      引力波至今还是个迷。主要是它是如何产生的，具有什么样的属性和外在表象，同时，它反映了宇宙的奇妙之处。宇宙究竟是个什么样的图像，是个大果冻，还是个水塘，还是个蜘蛛网？现在的研究认为，引力波非常弱，因此它的检测就变得异常困难。因此需要如何去掉共模干扰就是一个问题。在引力波的测试过程中，如何克服近处场干扰，地球的转动震动，太阳活动的影响等，因此，引力波的检测的确需要高超的技艺和手段。大到如如何去掉天体活动中的共模干扰，小到如如何消除一根导线电容的变化和对称性所带来的影响等。

      近来，我们不但观测到了黑洞的相互作用过程，而且也观察到了中子星相互作用过程。不仅通过了引力波的形式，而且通过光学等模式，同时观察到了引力波、伽玛射线和光学手段都观测到同一个天体的物理事件(GW170817,GRB170817A)。这也和我在前不久所说的不谋而合。我曾经只是设想，如在我的科学网博文中《宇宙深处的一丝脉动》（2017-10-12，恰好该文也被《中国科学报》app，10月16日转载）：所言：“然而，最大的神秘之处是第三点，是黑洞与波的结合，以及由此揭示的宇宙、时空乃至星体演化的过程。两个黑洞高速旋转绕行至结合为一体，在这个过程中会产生迸发出很多高能粒子并辐射了引力波。由此，除了一些辐射的高速粒子被作为探测的敏感源之外，引力波就成为另一种研究黑洞乃至其它天体运行的主要方式，这种想法和实验验证的方法应该是一个突破。我想，如果实验中若是真能同时检测到某种粒子飞驰而来的话就太精彩了，但那真的太遥远了，可望而不可及。”只是在这短短过去的几天，这竟然被奇迹般地验证了，看来2004年的那一场雪并不遥远。

      一个值得关注的问题是，近两年，由于科学工作者的努力，对天体的研究相继不断的有所发现(如：2016年2月，LIGO发布新闻，第一次成功探测到引力波事件GW150914）；2017年9月，LIGO宣布，美国的两个LIGO和欧洲的VIRGO同时观测到一个引力波事件GW170814；2017年10月，引力波、伽马射线暴和光学观测手段都观测到同一个天体物理事件，即引力波事件GW170817，亦即伽马暴事件GRB170817A)。仅在这短短的有限时间内，地球就感受到宇宙深处的几次脉动，这说明了什么呢？值得关注的是，发生如此多的概率事件，恰说明宇宙深处的某一时刻，曾经激烈的发生着某些事件---星球大战！今天我们才感觉到它的余音绕梁！发生这样的概率事件值得我们探讨，宇宙的起源，宇宙深处的活动，宇宙的演变，它所发生的时间、地点和搭档，还有另外三个要素，起因、过程和结果。地球感受到的脉动，其实太阳系也感受到了脉动！

      灯火阑珊处，引力波，露出了蒙娜丽莎神秘的微笑。

   
   5，引力波带来宇宙学研究的新起点

      同光学等方法相比较，引力波观察的方式应该具有更广泛性和普试性，这就像我们要检测地震一样，地球时刻在运动和震动之中，我们随时都可以捕捉它，但只有那些显著的活动才构成了地震。

       人们爱把引力波的产生描绘成一个水塘，投入一颗石子便产生了涟漪。大的活动事件产生大波，随后产生的细微的是小波。我却想，固然可以把它构造成一个水塘，但若把宇宙构造成一个蜘蛛网或许更好，整个世界就是由许多个蜘蛛网构造而成，那些行星、卫星、各种星就是蛛网上的每一个节点，而一旦有个飞虫侵入，被蛛网粘住，于是蜘蛛便和飞虫发生了激烈的战斗---火拼开始了，随后这场战争便开始了，蛛网震动，时空引力场在发生振颤，于是，我们在另一个蛛网上感受到了它的振颤。

      我们探测到的引力波又何尝不是如此？我们的天体之间，由无数个引力场相互作用着而紧密联系在一起，弯曲的时空，奇异的空间。引力波的发生就是那些在黑洞之间、或者不同星体之间，在发生相互吞噬的瞬间，使宇宙、时空发生了一下振颤，因为时空本身就是早已经存在着的多少个亿万年间那割不断理还乱的相互之间千丝万缕的联系和作用---引力的作用。而这一丝颤动传到了太阳系，传到了地球，传到了LIGO四公里长的臂膀，传到了我们计算机的显示屏上，映入到我们的眼帘。于是我们勾画出一幅美妙的画卷：遥远的宇宙，遥远的过去，冰与火的洗礼，刀与剑的较量，车来车往，生生灭灭，经久不息……

      事实上，我不同意那种观点，引力波可以无孔不入，而应该是引力波无处不在！

      然而，行文即将结束，我却想到了另外一副图像，引力波的检测，这是个远场相互作用过程，那些稍纵即逝的天马行空，跨越了何止千山万水，经历了多少地老天荒，光阴如箭般刺到了地球上，然而，我们能否在地球上通过巧妙的构思构造一个近场更灵敏的检测模拟过程？总应该会在我们小小的地球上找到相似的一幕吧！

      今天，人类尽管很渺小，但人类在不断地仰望星空，不断地向宇宙深处探索。引力波的研究只是一个简单的开端，充满了问题和诱惑，充满了艰难和喜悦，这只是人类揭开宇宙奥秘的一角。

      所有的成功离不开实践，离不开想象，更离不开梦想。

      引力波引来了不少争论，引力波引领我们去想象，引力波引领我们去创造，引力波引领我们去思考。

     宇宙因你而澎湃，科学因你而精彩！

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