我们的宇宙居然是“坚硬”的？引力波的发现，揭示宇宙空间的诡异

如果没有爱因斯坦的预言，100年来的科学界不知道该有多无聊。

根据广义相对论提出的引力波的概念，就像一枚被抛出来的绣球，一个世纪科学家都想把它抢到手，以证明“绣球”真的存在。

到2015年，有美国的3位物理学家将“绣球”抢到了手，他们也由此获得了2017年的诺贝尔奖。

不过刚开始的时候，包括他们在内的很多科学家，依然对引力波的是否存在持怀疑态度。倒不是寻找的方向错了，而是它从概念到真的出现在面前，未来将极具颠覆性。

时空扭曲下的引力波

30年前，科学界通过其他方式，已经间接获得了引力波存在的证据，两颗像太阳那般大质量的天体在绕旋运动时，会产生引力辐射。

什么意思呢？你可以简单理解成，在一块厚重的铁板上，碌碡或者是压路机轰隆隆的碾压而过，整块铁板会产生强烈的震动，这个过程中产生的震动就好比是引力波。

有人为了更好的理解，经常用石头投进湖水里溅起涟漪来比喻。这个更形象，但容易让人误以为引力波很容易产生。

实际上按照爱因斯坦曾经的预言，引力波是不会轻易产生的。将宇宙看成是一个整体结构，所有的天体在其中按照引力的大小运行。

大的天体之所以会对小的天体形成吸引作用，地球之所以会绕着太阳旋转，是因为大对小产生了引力。按照爱因斯坦的推测，引力这种现象，正是因为大质量天体的存在，让周围的时空出现了扭曲和塌陷。

好比一张大的海绵垫子，在上面放一块10公斤重的球，它让垫子周边的区域都发生了塌陷。如果再在垫子上放1公斤重的球，小球因为垫子的扭曲会自动滚向大球。

现在，你把这张海绵垫子扩展到宇宙一样大，上面有无数颗这样的大小球存在，彼此间产生的引力，就像是各自的重量对垫子本身施加的扭曲力量。

好了，你在这张垫子上丢一颗玻璃球，甚至是丢一颗芝麻，垫子本身肯定不会有任何变化，因为这两种物体太轻，不足以对整体结构造成影响。

也正因为这一点，从相对的角度去看，宇宙时空显得很“硬”。有科学家不用海绵垫子，而是用弹簧或者是弹簧床垫来形容。

弹簧需要一定的力量，才能将其压动，而整个时空结构所构成的弹簧它很硬，坚硬到需要超大的能量，才能将其压动一点点。

也正因为如此，引力波也不是任何一个天体都能制造出来的。科学家们苦苦找寻了一个世纪，才在近年来探测到了引力波的存在。

其中一次能探测到，恰恰是赶上了两个超大质量黑洞的合并。一个黑洞的质量比太阳大29倍，另一个黑洞的质量比太阳大36倍，两个合并成一个更大质量的黑洞，碰撞过程中产生了强大的能量。

怎么来探测它的存在

从我们的角度去看，导致引力波产生的能量很大，那么探测或者是捕捉到它的能量应该不是件难事。可实际的情况是，从现有的探测来看，人类仪器捕捉到的能量波动很小，甚至不是极度精确的仪器都捕捉不到。

导致这种情况的第一个因素是，源头在宇宙的更深处，由于到我们所在的位置遥远，当那些能量传到地球时，都已经减弱到可忽略不计了。

另一个因素则是，引力波自身的能量确实很大，但这些能量作用到实际的物质却相当微弱。正因为如此，科学家才认为宇宙时空很坚硬，能量要无穷大，才能使其产生某种反应。

为了捕捉到它的能量信号，相关的监测设备分布在极其广大的范围。

汉福德位于华盛顿州，列温斯顿位于路易斯安那，两者间的距离超过了3000公里，科学家在两地之间设置了探测器。

两地间的仪器以L形排列，一台设备的测量臂长度超过4公里，其垂直排列，两端还有反射镜面。在工作过程中，激光在测量反射臂上能来回反射。在这个过程中，如果发生某种变化，就能证明引力波存在。

理论上确实是如此，但两地的设备在1999年就基本建成了，到2002年运行后，科学家什么都没有监测到。

此后10年的时间，两地的仪器在持续运行，可还是什么都没有监测到。直到2015年，科学家升级了相关的设备后，机器运行的第三天，便监测到了13亿光年外的某种变化。

当初设置两套仪器，就是为了对数据进行彼此验证的，这可以避免偶然因素和出错。此次的观测，两地间的监测时差只有7毫秒，表明探测到的情况是属实的。彼时，距离爱因斯坦提出引力波的概念，正好一个世纪过去了。

3个月后，探测仪器再次监测到了新的引力波信号，这次产生的原因和此前一样，也是黑洞合并中相互绕旋而导致的。

此刻虽然已监测到了两次，但科学家们还是相对谨慎，又经过了一系列的数据比对，到2016年2月，才正式对外公布了相关结果。

整个探测团队，拥有上千名来自世界各地的科学家，我国清华大学的研究团队，也是这一探测团队的组成人员。

清华大学的研究团队，于2009年加入其中工作。主要进行数据的计算，提高分析速度和效率。此外，国内的研究人员，还参与了引力波暴和数据分析软件等其他工作。

有了前两次的监测，到2017年，科学家又监测到了新的引力波信号。这次发出的引力波，是两颗中子星在合并过程中产生的。

就为了监测和捕捉，世界各地动用了70个地面站点的设备，其中还有我国架设在南极昆仑站的巡天望远镜。

我国位于南极的巡天望远镜，它收集到的数据显示，中子星在合并过程中，抛射出的物质质量，相当于3000颗地球的质量。这一巨大的能量，使其的抛射速度比光速还要快0.3倍。

是的你没看错，在宇宙时空中，确实会有超光速的现象存在。这也就意味着，时空扭曲后的时间改变也可能是存在的。

相比此前探测到的黑洞合并，中子星合并产生的引力波，更具有跨越性。因为黑洞本身就能扭曲时空，它是没有物质的。

中子星则是实实在在的天体，作为有物质的星体，对于科学界下一步深入了解引力波本身乃至宇宙将有很大帮助。

引力波能帮助科学家发现什么

2017年的探测，利用引力波可直接测量到源头到地球的距离，过程中产生的电磁信号，还能给出相应的速度。

利用这两点，科学家就能测定和校准宇宙的膨胀速度。这样一来，宇宙的起始地和终点，人类就能逐步清晰的掌控了。

从信源来看，探测既“看到”了引力波，也“听到”了它的存在，这些不同的接收体验，能给科学家大量的信息。未来，多领域的合作以及各地的协作探测，将会成为天文学研究领域的新形态。

毕竟在科学家看来，以往探测宇宙主要借助电磁波，这种形式最多只能“听到”，而很多宇宙物质是无法看到的。

引力波的现身，未来利用这种时空涟漪，可以逐步探测更多的天体。从黑洞到暗物质等等，大量天体在科学家面前将无处遁形。

就比如宇宙中的金、铂等超铁元素，起源地就是来自中子星合并。此前这一过程并没有被探测到过，而探测到则意味着，对于大量超铁元素的起源，人类掌握了一手的证据。

虽然监测到的信号，给了科学家大量有用的信息，不过还有大量未解之谜没有答案。比如说这两颗中子星合并后会形成什么，目前科学家就不知道。

它可能会形成一个大质量的中子星，也可能会变成一个黑洞。不管它在未来变成什么，合并后的质量相当于2.74个太阳的质量。

迄今为止，科学家已监测到了5次引力波的信号，而这仅仅是一个起点。

我国在引力波探寻上的发现

华中科技大学的引力波研究场所，位于地底的一个山洞，整个洞长度超过了500米，由于内部封闭没有外界的干扰，更不存在任何电磁波，所以这样的场所才非常适合精密物理测量研究。

此外，山洞内的温度也是恒定的，可以控制在0.2度的浮动范围内，像引力波这种来自宇宙深处的极其微弱的信号，才需要这样的精密测量场所。

除了华中科技大学的研究场所外，我国的天眼即球面射电望远镜，也在探测引力波领域发挥了巨大的作用。国内多家研究单位，利用天眼在2023年7月，探测到了纳赫兹引力波存在的关键证据。

虽然都是引力波，但空间的变化，也会让探测时使用的设备不能相互代替。在宇宙中，不同的天文事件会产生不同频率的引力波。

像频率在10到1000赫兹的引力波，它是由两个黑洞或者是中子星合并产生的。此前，美国架设的设备，我国和欧洲的一些引力波探测装置，主要都是用于这一频率波段的引力波监测的。

而一旦超出了这个范围，要监测更远处或者是更低频率的引力波，就需要使用全新的设备。天眼可以探测宇宙深处的脉冲星，再利用脉冲星组成的列阵，才能探测频率波段更低的引力波。

目前，除了我国的脉冲星测时列阵外，欧洲、北美、澳大利亚、南非、印度也有相关的探测设备。天眼在2023年探测到关键性证据前，其他的探测设备都还没有取得过确切的结果。

所以对引力波的探测来说，这是一个相当漫长的过程。而国内外的科学家们，还在为此继续努力。

结语

在法国去年的一项研究中，科学家利用扭曲的激光，制造出了类似于引力波的时空涟漪。在科学家看来，引力波在生成传递的过程中，其发送的信号不会失去能量。

如果能利用这种特性的话，未来人类或许能研究出引力波通信系统。科研人员模拟了不同功率激光产生的引力波以及其形状，发现与宇宙中自然生成的引力波，其频率以及波的模式更加复杂。

看来，围绕引力波催生的研究，不光有引力波本身，还能延伸到其他领域。下一步，科研人员准备打造的一个探测系统，以便对激光生成的引力波涟漪做进一步的研究。

人类的探索欲在这一刻，似乎跟那些波纹涟漪融合在一起了。