給人類打開第三隻眼的引力波 | 王木頭講科學

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今天是王木頭講科學的第19期節目。

在很多神話或是幻想小說中都有一種人，他們有第三隻眼，也被成為天眼。這隻眼和普通的眼睛可不一樣，有著一種特異功能。它根本不屑於去看見光線，而是可以看到用眼睛無法看到的異世界，比如靈魂或是潛藏著的能量。

這些當然是人們幻想出來的了，一點也不科學，可是對於科學家們來說卻期盼著擁有這樣的能力。

人有5種感覺，看得見東西，聽得見聲音，嘗得出味道，聞得出氣味，感覺得到東西以及冷熱癢痛，這是人類了解外界環境的基礎。對於我們普通人來說這完全是足夠的了，可是對於科學家就不夠了。本來，如果只是研究身邊甚至任何地球上的事情，這5種感覺還是可以應付的，但是人的好奇心可不只是身邊，還想去了解地球之外的宇宙，它到底有多大？是什麼時候誕生的？未來將會如何？

研究宇宙的事情，本來就不太夠用的5種感覺，更是被直接廢掉了4種。觸覺和味覺，總是需要我們接觸東西才可以。可是宇宙如此廣闊，動不動就是上千萬光年的距離，又怎麼可能接觸到呢？人到過最遠的地方也不過是月球，也只是光線1秒鐘到達距離。

聽覺和嗅覺雖然也可以讓人遠遠地感覺到，但是它們的傳播都依賴於空氣，而宇宙中沒有空氣。而且它們的傳播速度是如此之慢，連很多人造機器都可以快過它們，即使能在宇宙中傳播，等到了地球所帶來的信息估計也就沒有什麼用處了。

只有眼睛還有用，因為只有光可以穿越無盡的空間來到地球，告訴我們宇宙原來是什麼樣子。於是長久以來，如何可以從光中發掘出更多的信息就成了人們研究宇宙的一個很重要的方向。

最開始，遠古的人們只能利用自己的眼睛去觀察著天空中的太陽、月亮和星星。除了太陽和月亮，所有的星星都只是一個小亮點。這時候的人們只能是看看這些小亮點在空中如何從一個地方運動到另外一個地方，然後尋找其中的規律。這時候就發現，天空好像一個球形的玻璃罩，幾乎所有的星星都是固定在玻璃罩上，只有幾個特別的淘氣鬼，它們是跑來跑去，這就是行星，而那些不動的嵌在玻璃罩上的就是恆星了。

然後到了伽利略時代，它用望遠鏡指向了夜空，經過這種特殊設備的放大，星球更多的細節被發現了。金星像月亮一樣是有陰晴圓缺的，木星有著4個衛星，土星像是長了耳朵。還能看到更多原來看不見的昏暗的星星。而且緊接著牛頓出現了，在牛頓萬有引力定律的幫助下，科學家們可以通過星球運行的軌跡計算出這些星球有多重。

再然後，科學家們發現了溫度和發光的顏色的關係，我們前面第16次的內容裡面講過，溫度越高釋放出來的藍色的光就越多。於是終於明白了，為什麼天空中的恆星有的顏色偏紅色，比如天蠍座的心宿二，有的偏藍白色，比如天狼星。這是因為它們表面的溫度不同，偏紅色的溫度低，偏藍白色的溫度高。

以前是沒有辦法直接根據恆星看起來是亮還是暗來了解它們到我們之間的距離的。雖然距離越遠越暗，越近越亮，但是，如果這顆星球本來就不怎麼亮，即使距離我們近，看起來也是暗暗的。現在我們可以通過它的顏色來分辨出它的溫度，而溫度高低和它的亮度是有關的，所以根據星球的顏色和亮暗可以知道這顆星球的距離。

科學家們當然不滿足這些，他們還想知道其他遙遠的星球上面都是由什麼物質構成的。派宇宙飛船去採集樣本是不可能了，所以就需要另想辦法。這次立功的是我們前面講過的三稜鏡，通過它把其他星球照射過來的光散開，然後就可以了解到這顆星球上都有什麼元素，是氫原子會多一些呢，還是其他的原子多一些。

大家還記得愛因斯坦在解釋光的波粒二象性時說到的，電子吸收光子之後具有了更多的能量，然後就會從低的軌道跳到更高軌道。其實反過來也是會發生的，電子從高處的軌道跳到更低的地方是會釋放出能量的，這個能量會以光子的形式發射出去。

不同種類的原子有著不同數量的電子層數，所以不同種類原子它的電子在軌道上跳躍的可能性也不是同的，也就是說它們釋放出來的光子能量不同。比如一個只有2層軌道的原子，電子只能是從第2層跳到第1層這一個可能，也就是只會放出一種光子。而如果有3層軌道的話，就會有從3層跳到2層再從2層跳到1層，這是2種光子。這還不是全部，還可以從3層直接跳到1層，這又會是一種光子，一共有3種光子。

我們雖然沒辦法直接採集遙遠星球上的物質分析有哪些原子。但是它們釋放的光子是可以穿過宇宙到達地球的。怎麼分辨它們呢？大家應該還記得能量高的光子波長短，能量低的光子波長長，換句話說就是他們是不同顏色的光子。分辨出不同顏色的光，我們是有辦法，即使它們到達地球的時候是混合在一起的，只要讓它們經過三稜鏡，不同顏色的光就會分散開來，這樣就可以發現其中隱含的秘密。根據這些顏色中隱含的信息，科學家就會比較輕鬆地先反推出電子軌道的信息，然後再反推出那裡都有什麼元素，甚至還能知道各有多少。這就是恆星的光譜，如果每顆恆星都是一個人的話，那麼光譜就相當於是他們的指紋信息。

其實真實情況下看到光譜會是另一個樣子。大家可以看一下下面這個圖，是太陽的光譜，距離我們最近的恆星。

這個光譜是在連續色塊間夾雜著一些暗條紋。這是因為真實情況下，恆星內部巨大的密度和劇烈的核反應會把電子跳躍放出的光譜間隙給抹平，變成一個連續的光譜。可是光子從恆星內部發射出來，還會經歷過外部的氣體大氣層。這裡也是有原子組成的。當連續光譜的光子照射到這些原子中的電子時，它們就會經歷一個相反的過程，吸收光子從低軌道跳到更高軌道。也就是說，這些原子會釋放的光子也是它們會吸收的光子。所以我們在圖中看到的那些暗條紋，其實就是我們所需要的光譜，代表了恆星中的元素都吸收了那些光。這就是恆星指紋真實的樣子。

研究光譜可以算是把可見光發揮到了極致，科學家們可是不滿足於此。我們也知道可見光只是一種電磁波，所以從更大範圍的電磁波中尋找信息也是他們所努力的方向。接收無線電波的射電望遠鏡，之前的內容也提到過接收紅外線的，紫外線的，還有x射線和伽馬射線的望遠鏡，都是這種努力下的成果。

看似我們研究宇宙的手段豐富了，了解宇宙信息更多了，但是途徑卻還是如此的單一，至此我們對宇宙所有的了解，全部來源於電磁波，它是唯一的。

這樣給研究宇宙帶來了麻煩，這就代表著對於電磁波失效的那些東西，我們將會一無所知。比如，我們知道最久遠的信息是宇宙微波背景輻射，它也是電磁波。它給我們帶來了宇宙誕生時的很多信息。說是宇宙誕生，其實它產生的時候已經是宇宙大爆炸發生后38萬年了。在它之前，宇宙如此地稠密讓任何光都無法傳播出來。電磁波失效了，這就代表了這38萬年間發生了什麼，我們幾乎是一無所知的。

還有，充滿宇宙四分之一的暗物質，它們的含量如此之大，是我們可以看到的普通物質的5倍，但就是因為它們不和任何電磁波發生關係，所以我們對它們也幾乎是一無所知的。

如果沒有新的手段，像幻想小說中描述的那樣能打開第三隻眼的話，我們對這些未知的事情不論過多久依然是一無所知。而廣義相對論中預言的引力波，就非常有可能成為這樣的第三隻眼。引力波是空間自身的壓縮和膨脹，這就代表了沒有任何東西可以阻擋它的傳播。宇宙大爆炸後到38萬年之前這段時間，因為宇宙物質稠密到了即使產生電磁波也會被阻擋和吸收。可是引力波不會。理論上，從引力誕生起，引力波就產生而且還不會被阻攔。所以如果可以接收到這個時候的引力波，那麼當時發生了什麼我們就有可能會知道。

還有暗物質，雖然不和電磁波有任何反應，但是它們卻會引力發生關係，通過引力波去研究它們或許是有效的方法。

不過，引力波存在嗎？還是說它只是愛因斯坦廣義相對論給我們的一個假象？如果再早一些，這還沒有答案。就在去年，2016年的2月份，科學家們宣布它們探測到了引力波，引力波也不再是一種假說。從這個時候開始，我們研究宇宙的第三隻眼打開了。我們應該相信，在它的幫助下科學家就能夠探索宇宙更底層的奧秘。

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