电磁波和引力波

也难怪很多人对LIGO探测到的引力波质疑，因为这次结果的确是太突然、太幸运了。并且，尽管爱因斯坦在1916年就预言了引力波，但他对自己的这个预言的态度也是反反复复颇为有趣的。

爱因斯坦本人直到1936年对此还尚未有一个确定的答案。他曾经在一篇论文中得出“引力波不存在”的结论！但因为该文中他的计算有一个错误，被“物理评论”拒绝。当年，愤怒的爱因斯坦转而将此文投给“富兰克林学院学报”，文章即将发表时爱因斯坦自己也发现了他的错误，于是将文章标题改变了[1]。后来又设法重写了论文，计算核实准确了之后才在1938年发表[2]，最终确定了引力波的存在。

对大众而言，“引力波”、“黑洞”，“相对论”，这些远离人们日常生活的名词，突然一转眼就变得现实起来。并且，LIGO这次探测到的双黑洞融合事件还是13亿年之前就已经发生了的事件，辐射的引力波在茫茫无际的宇宙中奔跑了13亿年之后，在其能量为顶峰的一段短暂时间内（约0.2秒），居然被当今的人类探测到了，这些人们难以想象的天文数字，听起来的确像是天方奇谈。

不过，大多数人对电磁波还比较熟悉，起码这个名词经常听到，因为它与我们现代社会通讯系统密切相关。那么，既然引力波和电磁波都是“波”，我们就来比较一下这两个“兄弟”，以此加深大家对这次引力波探测事件的理解。

从赫兹实验到LIGO

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，赫兹在实验室里用一个简单的高压谐振电路第一次产生出电磁波[3]，用一个简单的线圈便能接受到电磁波；2016年，美国的LIGO第一次探测到引力波[4]，团队的主要研究人员就有上千，大型设备双臂长度4公里，造价高达11亿美元，见图1。

电磁波从预言到探测，历时23年；引力波从预言到探测，历时100年。

图1：电磁波和引力波探测设备

从上面的数据可见，引力波的探测比电磁波的产生或接受困难多了。其根本原因是由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，它比电磁作用，至少要小10-35倍。

加速运动的电荷q辐射电磁波，加速运动的质量m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，但从现在的技术观点看起来，强度比电磁波小三十几个数量级的引力波，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。

根据广义相对论进行计算，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。比如说，双中子星或双黑洞互相绕行最后融合的事件。那段过程中，双星系统将发射出巨大数量的引力波。对于宇宙中发生的此类事件，天文学家们已经研究很长时间了，事实上，1947年，在欧洲的华人物理学家胡宁发表的《广义相对论中的辐射阻尼》一文中，就最早对双星系统的引力辐射效应作出了理论证明[5]。1975年，两位学者从观测双中子星相互围绕对方公转的数据，间接证实了引力波的存在[6]，并因此荣获1993年的诺贝尔物理奖。近年来，人们对双黑洞的碰撞融合过程进行了大量的计算机数值计算和图像模拟，也从统计学的角度，研究了各类质量的双黑洞碰撞在宇宙中发生的概率，及地球上探测到这些事件辐射的引力波的可能性。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的巨资大工程项目。并且，不仅仅是美国，还有欧洲的VERGO，印度的LIGO，日本的KAGRA，等等，都陆续在升级或建造中，见图2b。除此之外，还有探测引力波的空间站，比如LISA等，则定位于更为低频的引力波源。

图2（a）无线电通讯网（b）引力波的全球探测网

即使是黑洞碰撞产生的强大引力波，传播到地球时对地面上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。话说回来，这也是人类的幸运，地球位于广漠宇宙中一片相对平静的空间区域，人类繁衍于一段比较安全的时间间隔。否则的话，我们也就不可能在这儿讨论引力波了。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”。比如说，照在我们身上的太阳光就是太阳在8分钟之前发出来的，也就可以说，太阳离地球的距离是8“光分”。而LIGO这次探测到的引力波呢，则是两个黑洞13亿年前发出的，或者说，双黑洞与地球的距离是13亿光年。