1887年,赫兹利用一个简单的高压谐振电路发现电磁波。最近,美国LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,激光干涉引力波天文台)探测到引力波的新闻在学界以及广大民众中,刮起了一阵科学旋风。在一片惊叹和赞扬中,也有不少怀疑。
当然,对任何科研成果都应该允许质疑,并且还应该鼓励质疑,这样才能促使科学家纠正错误,吸取教训,促进科学的进一步发展。
上世纪八十年代初,笔者到美国德州大学奥斯汀分校的物理系相对论中心读博士,当时那儿荟萃了研究广义相对论和引力的好几位大师级人物,其中有费曼的老师惠勒(John Wheeler),引力量子化的奠基人布莱斯·德威特(Bryce DeWitt),霍金当年在英国的博士指导教授丹尼斯·夏玛(Dennis William Sciama)。此外还有属于年轻一辈的菲利普·凯德拉(Philip Candelas)等。
之后又来了诺贝尔奖得主、写《宇宙的起源:最初3分钟》一书的温伯格(Steven Weinberg)教授。
英国物理学家麦克斯韦于1865年预言电磁波;爱因斯坦于1916年预言引力波。1887年,赫兹在实验室里利用一个简单的高压谐振电路第一次产生电磁波;2015年,美国的LIGO第一次探测到引力波,团队的主要研究人员上千,大型设备双臂长度4公里,造价高达11亿美元。
电磁波从预言到探测,历时22年;引力波从预言到探测,历时近百年。从上面的数据直观可见,引力波的探测比电磁波的产生或接收花费的时间更长,也困难得多。很大一部分原因在于两者的强度相差非常大。
世界上存在着4种基本相互作用。其中的强相互作用和弱相互作用都是“短程力”,意味着它们只在微观世界很短的范围内起作用。4种相互作用中,引力是强度最弱的,它是电磁作用的10-35倍左右。加速运动的电荷辐射电磁波,加速运动的非球对称质量辐射引力波。
电磁波的强度能够容易地在实验室中被探测到,但从现在的技术来看,强度比电磁波小三十几个数量级的引力波,普遍被认为不可能在实验室中测量到,也不太可能在近距离的普通天体运动中观测到。一般来说,最有可能探测到引力波的天文事件,是大质量星体的激烈运动。
通过这些多方面详细深入的研究,科学家们对引力波的探测信心倍增,才在几十年前启动了LIGO这一耗资巨大的工程项目。并且,不仅仅是美国,还有欧洲的Virgo,印度的LIGO India,日本的神冈引力波探测器(KAGRA)等等,都陆续在升级或建造中。
即使是黑洞碰撞产生的强大引力波,传播到地球时对地面物质产生的影响也只是微乎其微,因为这些事件都是发生在很遥远的宇宙空间。根据广义相对论,引力波和电磁波一样以光速传播,传播一定的距离需要时间,天文学中经常用光旅行所用的时间来表示距离,称之为“光年”。
下面,我们再来从数学和理论物理的角度,来认识一下电磁波和引力波这两兄弟。理论物理学家们能够预言电磁波和引力波,因为它们都满足波动方程。电磁波的方程从麦克斯韦理论得到,引力波的方程从广义相对论得到。
从量子理论的角度来看,电磁波是由静止质量为零,自旋为1的光子组成,而引力波是由静止质量为零,自旋为2的引力子组成。电磁波能与物质相互作用,被反射或吸收,但引力波与物质相互作用非常微弱,会引起与潮汐力类似的伸缩作用,但在物质中通过时的吸收率极低。
1887年,赫兹发现电磁波后,他在发表文章的结语处写道,“我不认为我发现的无线电磁波会有任何实际用途”。而当时两位20多岁的年轻人,马可尼(Guglielmo Marchese Marconi)和特斯拉(Nikola Tesla),却受到赫兹报告的启发,逐步地计划并实现了将电磁波用于通讯上。如今,电磁波对当今人类文明的进步和发展之重要性已是毋庸置疑,众人皆知。
总之,这次的GW150914事件只是引力波探索中的一个开端,远没有结束,还有更多的结果值得期待。