為什么蘋果總是垂直地落到地面？為什么不從側(cè)面又或是向上，而是永遠(yuǎn)朝向地球的中心？一定有某種力量把蘋果垂直地拉向地面。這種力量甚至可以延伸到更遠(yuǎn)的距離以至于整個(gè)廣袤的宇宙空間。正是引力把宇宙中的物質(zhì)聚集在一起，孕育了璀璨的宇宙結(jié)構(gòu)乃至生命。
兩個(gè)黑洞
1687年，牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中正式發(fā)表了他的引力理論：“宇宙中每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都以一種力吸引著其它各個(gè)質(zhì)點(diǎn)。這種力與各質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量乘積成正比，與它們之間的距離平方成反比?！币Σ⒎侵淮嬖谟谔囟ǖ馁|(zhì)點(diǎn)之間，而是普遍存在于宇宙中任何兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)之間。因此引力是“萬有的”。那個(gè)時(shí)代的人們信奉絕對(duì)的時(shí)空觀：時(shí)間就是時(shí)間、空間就是空間，這兩者是截然不同的兩個(gè)概念。在牛頓引力理論中質(zhì)點(diǎn)間引力相互作用的傳遞不需要時(shí)間，而是在空間上瞬間傳遞。這種觀念主導(dǎo)了之后兩百多年人類對(duì)引力的認(rèn)知。
直到1905年，愛因斯坦提出狹義相對(duì)論才打破自牛頓以來建立的絕對(duì)時(shí)空觀。在狹義相對(duì)論中，時(shí)間和空間不再是完全獨(dú)立的概念：時(shí)間和空間是相對(duì)的。無論光源如何運(yùn)動(dòng)，真空中的光速對(duì)于不同的觀測(cè)者都是有限且一樣的，而且任何相互作用的傳遞都不能超過光速。這明顯與牛頓引力理論相沖突。
為了協(xié)調(diào)牛頓引力理論和狹義相對(duì)論，1915年愛因斯坦提出了廣義相對(duì)論。引力被解釋為時(shí)空幾何的彎曲，這種彎曲又直接由時(shí)空中物質(zhì)的能量動(dòng)量張量決定。地球?qū)μO果的引力源于地球巨大的質(zhì)量扭曲了地球周圍的時(shí)空，蘋果在被地球扭曲的時(shí)空背景上向著地心運(yùn)動(dòng)。就像在一張蹦床中間放置一個(gè)鉛球，這個(gè)鉛球改變了蹦床的形狀。如果再在蹦床上放置一個(gè)網(wǎng)球，那么這個(gè)網(wǎng)球就會(huì)向著這個(gè)鉛球的中心滾落。看上去就像是這個(gè)鉛球在吸引著這個(gè)網(wǎng)球向它靠攏。對(duì)普羅大眾而言，廣義相對(duì)論聽起來像是一個(gè)高度抽象而又與大家每天的生活完全無關(guān)的理論。事實(shí)絕非如此！比如現(xiàn)在廣泛使用的全球定位系統(tǒng)就需要計(jì)入狹義和廣義相對(duì)論的修正才得以實(shí)時(shí)地精準(zhǔn)測(cè)定地面上物體的位置。
在牛頓引力理論中引力是瞬時(shí)傳播的，因此沒有引力波。但是，在廣義相對(duì)論中物質(zhì)對(duì)時(shí)空幾何的影響不是瞬時(shí)的，引力相互作用傳遞的速度不能超過光速。這種傳播速度的限制導(dǎo)致引力波的存在。加速一個(gè)有質(zhì)量的物體時(shí)，這個(gè)物體所產(chǎn)生的時(shí)空彎曲所發(fā)生的變化會(huì)以光速像波一樣向外傳播。這就是引力波。1916年愛因斯坦寫下了廣義相對(duì)論中引力波的精確公式，從而預(yù)言存在以光速傳播的引力波。
發(fā)現(xiàn)引力波不僅為了證實(shí)引力波和愛因斯坦的引力理論，而在于它開啟了一個(gè)全新的方式去窺視宇宙的奧秘。人類從此可以擺脫完全依賴電磁信號(hào)（包括可見光和射電）來探索宇宙的單一方法。事實(shí)上，宇宙中有很多物理過程很難用電磁信號(hào)來探究。經(jīng)典意義下黑洞是黑的，它完全不發(fā)光，因此光信號(hào)并不能很好地幫助我們了解黑洞的基本物理。即便黑洞有霍金輻射存在，一個(gè)宏觀的黑洞所產(chǎn)生的霍金輻射也太過于細(xì)微而無法察覺。
引力波的產(chǎn)生
此外，在年齡小于38萬年的宇宙中充滿了帶電的粒子，這些粒子和光強(qiáng)烈的耦合在一起，以至于光都無法在宇宙中自由地傳播。因此光信號(hào)也不能穿透到宇宙的早期。但是，引力是萬有的，引力波可以在真空又或是充斥著致密物質(zhì)的區(qū)域中自由傳播，無法阻隔。因此引力波可以直接攜帶大量有關(guān)黑洞、中子星、超新星的核心，以及宇宙起源等等的信息，甚至于最終幫助我們理解極為深?yuàn)W的時(shí)空的本質(zhì)。
20世紀(jì)70年代，美國(guó)科學(xué)家羅素·赫爾斯（Russell Hulse）和約瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）在1974年觀測(cè)到一個(gè)脈沖星與另一個(gè)中子星組成的雙星系統(tǒng)，以極其緊密而快速的模式互相環(huán)繞對(duì)方，并且呈現(xiàn)了漸進(jìn)式的旋近。根據(jù)廣義相對(duì)論，此雙星系統(tǒng)會(huì)以輻射引力波的形式損失能量，從而導(dǎo)致軌道周期每年縮短76.5微秒，軌道半長(zhǎng)軸每年減少3.5米，預(yù)計(jì)大約經(jīng)過3億年后發(fā)生合并。觀測(cè)的結(jié)果表明旋近周期的變化恰好是廣義相對(duì)論所預(yù)期的值。盡管引力波給予此雙星系統(tǒng)周期變化提供一個(gè)合理的解釋，但是并沒有直接觀測(cè)到引力波造成的時(shí)空的扭曲，因此只能認(rèn)為是為引力波的存在提供一個(gè)間接的證據(jù)。
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