拥有性质如此奇特的“绳”,人类能观测到它吗?维伦金说,如果有某根无尽的长绳碰巧在几十亿光年远的地方绕过我们宇宙的一角,那么我们还是能观测到它的。办法是通过望远镜看某个类星体。类星体是距我们有几十亿光年远的一种不寻常的明亮天体。倘若在地球和类星体之间有绳的存在,它是会使类星体的光稍微发生偏离,这样类星体就产生两个影像,我们就可以看到“成对”的类星体了。目前,天文学家已经观察到了大约有6对这样的类星体。只要我们能找到足够多对类星体,顺着这些类星体的连线,我们就会发现宇宙绳的存在。
还有另一种观察绳的存在的途径。科学家指出,如果维伦金的宇宙绳论正确的话,那么在宇宙诞生初期,由于宇宙绳的存在就会使宇宙形成猛烈的振动。由于宇宙绳的质量巨大,这种振动会发射出丰富的引力能量周期性脉冲——引力波。而这些引力波自产生起,会随时间的流逝而不断衰减,现在,这种引力波已经变成非常缓慢而有规律的波动了。维伦金说,如果我们能检测出这种效应,我们就能找到宇宙绳。
“绳”理论的作用
宇宙绳论可以帮助科学家们解决宇宙学上长期存在的一些谜团。例如,追溯到宇宙初期,当时万物都表现为薄而同质的气体,那么,这些气体怎么会在原来的位置上形成星系呢?科学家们设想,如果有一根质量极大的绳不断振动,严重扰乱气体的平静分布而使宇宙间形成一些致密的“凹谷”,这样,由于宇宙绳的存在就会使气体自行坍塌而成星系。又因如此,宇宙间星系将会是顺着宇宙的走向而分布的。科学家们因此得出了一个令人难以置信的结论:宇宙间星系是被一根或数根这样的宇宙绳拖曳在一起的。找到了宇宙绳,我们就会发现星系排布的规律。
此外,宇宙绳的存在还能解释宇宙引力波的存在、宇宙微波背景辐射等宇宙现象。
宇宙绳是现代宇宙学中一个较新的理论,其真实性还有待天文观测的进一步证实,但是从理论上,它还是有它的一定道理的。
像一片汪洋的宇宙
如果有人问你,是什么形成了水的波浪?是风吗,还是航行的船只?或是远处的人将一颗石子扔入水中?不管是什么,在水中,任何微小的振动都会通过波浪传送到各个方向。波浪将不断传播开去,并且不断地变弱,最后甚至微弱到难以探测。
如果我告诉你,假如你向“空间”扔一块足够大的“石头”,同样也能激起“空间”的波动,你相信吗?不容你不相信,因为这种波动的确存在,而且已被科学家们探测到了,它就叫“引力波”。
水星运行为什么产生偏差
当年,牛顿认为空间是完全虚空,只有行星是在其中随时间穿行。在这个时空里,不管宇宙天体的运行是如何的纷繁芜杂,它们都遵守着万有引力定律:卫星围着行星转,行星围着恒星转,牛顿的时空观有着似乎完美无瑕的形式。
但是,正当人们为寻找到真理而欢呼雀跃时,一颗调皮的小行星却向牛顿的万有引力理论提出了挑战,这颗小行星就是水星。根据天文学家们的观测,水星的运动始终与所预测的位置有微小偏差,而这个偏差不是观测误差所引起的。为了解释这一现象,有人甚至以预言有一颗“祝融星”的存在,是它影响了水星的运行,不过,“祝融星”最终也没被找到。我们不由得问,那是什么引起了水星运动的偏差呢?爱因斯坦的广义相对论解决了这个问题。
爱因斯坦的时空观与牛顿的完全不同。爱因斯坦将时间和空间一起考虑,从而提出了四维时空的新概念。这一点并不难理解:譬如说,我们去工作的路程就是一个经历四维时空的过程,在走路的过程中我们穿过空间,并在穿过空间的过程中花费了时间,也可以说是穿过了时间。在这个行程中,我们可以用三维空间和一维时间的坐标标明我们所处的位置。但是,爱因斯坦的时空观里有一个关键,那就是质量会使得“时空”产生形变。牛顿认为月球是一直被引力拉向地球的,爱因斯坦则认为,月球是沿着由于地球质量所产生的空间自然曲率进行运动的,就像玻璃球沿着刻槽的轮盘不停滚动一样。
由于有空间的存在,质量巨大的太阳就会使附近的空间变形,由于水星离太阳太近,因此,水星运行的“刻槽”自然就会变形,水星的运动就会与用牛顿定律计算出来的有所偏差。用爱因斯坦的时空观看,这是太阳的引力波使得水星产生了波动。
引力波真的存在吗
按照牛顿的时空观,根本不会有引力波的存在,但在爱因斯坦的时空观里,引力波却是一个非常重要的概念。由于空间会因质量而发生变形,因此,在空间中就会存在引力波,就像水中存在水波一样。引力波是一种引力的波动,其传播速度与光速相同,宇宙间所有的物质都会因它的存在而变形。距离波源越近的地方,就越能感受到引力波的存在,而离波源越远,引力波就会像水波一样逐渐微弱。
那么,什么能产生引力波呢?是宇宙中的风吗?还是将一颗“石子”砸入空间中?
爱因斯坦告诉我们,产生引力波远远没有产生水波那么容易,因为空间是非常坚硬的。我们可以打个比方,如果橡胶的坚硬程度为1的话,那么钢的坚硬程度则为1011,而空间的坚硬程度则为1043,由此可见,空间比钢不知坚硬多少倍!但是,在这个坚硬的空间里,还是有能引起空间波动的原因,那就是巨大恒星的坍缩,或是中子星的合并、黑洞的形成等,它们就像宇宙中的巨型炸弹,荡起了宇宙空间的波动。
探测引力波的存在
但是,在真正探测到引力波却不是那么容易的。
最早进行实际探测引力波的科学家也许要数美国物理学家约瑟夫·韦伯。他在20世纪50年代末开始了这项工作。当时,大多数科学家,包括爱因斯坦在内,将引力波仅看作学术兴趣——因为他们认为,空间的硬度是如此的大,引力波如此微弱的信号是无法探测到的。只有韦伯是个例外。
韦伯动手制作了第一个引力波探测器,他制造了一根非常敏感的共振棒天线,它能够对引力波产生的震动引起共振:为了减少非引力波引起的震动,韦伯的装置中设计了各种装置,然后,将共振棒和所有装置安放在洞穴中,最后,科学家们严阵以待,时刻等待着共振棒的震动。但是,这个装置的精确度远远达不到要求,虽然有情况表明共振棒探测到了“引力波”,但最后都被证实那是由其他原因产生的振动。
虽然韦伯的实验失败了,但他对引力波的研究却引发了科学界对引力波的热情。此后,新的探测器不断出现,科学家们绞尽脑汁想各种方法来提高灵敏度、避免其他因素引起的震动。
科学家们经过几十年的探索,逐渐意识到在地球上建造引力波探测器太难了,这里影响探测器灵敏度的因素太多了,因此,最好的解决办法就是:离开地球,到太空去。现在,对引力波的探测有一个“莉莎”计划。“莉莎”预计能在2010~2020年进入太空,由四个飞船组成,两艘飞船向另两艘远距离的飞船发射分离的激光束,远距离的飞船将激光放大,再将它们送回原飞船。在那里,两个返回的信号重新结合,并把情况发送回地球。当飞船慢慢地绕太阳做轨道运行时,由于引力的影响,飞船会产生微小的移动,这种移动会引起干涉信号,产生亮与暗的变化。不过这种轨道运动相对来说是可以计算的,它对信号的影响程度也是计算得出的。在地球上的观测室里,科学家们可将轨道运动所产生的效应从信号中减去,剩下的则可能是引力波的信号了。
引力波带来的新境界
引力波的提出把物理学引入了一个新的境界。一旦物理学家们在地球上探测到引力波,他们就可以打开一扇观察宇宙的全新窗口。古人们用可见光来研究天空,使宇宙从最初的地心说一直发展到日心说;后来,人们用空间传来的电磁波——X射线、伽马射线、红外线、紫外线等——来发现了一个更大更多星系的宇宙;现在,引力波的探测将会证实爱因斯坦所预言的宇宙的正确性,这个宇宙具有不可思议的性质——它的时空可以弯曲。这时的宇宙就像汪洋大海,人在大海之上,并不知道大海正包着地球呈弯曲的形状,而“大海”荡起的“波浪”,正时刻影响着人的生活。
引力波给人类提供了一种对宇宙的全新感觉:宇宙听觉。通过聆听宇宙的声音,我们将亲身感受黑洞的诞生,记录下它们的震动,也许还可弄清楚隐藏在其致密的奇点中的本质和意义。黑洞中心的奇点也许类似于宇宙开始时的奇点。通过倾听引力波,我们也许能倾听到来自宇宙诞生最初期的那声空前绝后的大爆炸,我们有朝一日必将亲耳听到恒星的爆炸、中子星合并、黑洞的诞生……
引力波的存在还能解决许多问题。例如,科学家曾认为,在宇宙形成时,当引力与强力、弱力和电磁力分离时,与我们这个世界并存的还有一个影子世界,证实那个影子世界存在的唯一通讯工具就是引力波。当我们用引力波探测仪接收到引力波而又无法找到它的发源地时,就可以确信这是来自影子世界的唯一讯息。引力波的存在还将告诉我们许多不为人知的秘密,将为我们观测宇宙打开另一个窗口。