引力是自然界中四種基本相互作用力之一，也是最早被人類認識的基本相互作用力。牛頓被蘋果砸中發現萬有引力定律的故事想必大家都不陌生，其實，引力的想法最早可追溯到伽利略，但真正被系統性地提出是在1687年，源自牛頓撰寫的《自然哲學的數學原理》。
其他三種基本作用力——電磁力、弱力和強力，在量子理論出現后，在標準粒子模型的框架下獲得了統一。很多科學家，包括愛因斯坦在內，都試圖構建一個大統一理論，將引力也統一進去。但遺憾的是，到目前為止都未獲成功。從這個意義上說，引力雖然最早被人類認識，但也是認識得最不清楚的基本作用力。
目前公認的描述引力的最佳理論是愛因斯坦于1915年提出的廣義相對論，認為引力的本質其實是時空本身的彎曲。我們可以用一個二維橡皮膜來類比四維時空。當我們把大質量物體，如太陽和地球，放在橡皮膜上時，物體所處的地方就會向下凹陷，周圍會被拉伸變形，大質量物體周圍的其他物體就會向大質量物體中心滾落。中心大質量物體越致密，形成的凹陷就越深，附近的變形就越大。當中心物體是黑洞時，形成的變形是如此之深，如果靠得太近，即使是光都無法逃脫掉落到黑洞中心的命運。
廣義相對論有諸多預言，如行星近日點進動、引力紅移、光線偏折、雷達回波的時間延遲、磁型引力效應等，都已經被太陽系中的實驗所證實。那么在更大尺度，如星系或宇觀尺度，廣義相對論還能否被觀測所嚴格驗證？
20世紀30年代，美國加州理工學院的天文學家弗里茲•扎維奇在觀測螺旋星系旋轉速度時，發現星系外側的旋轉速度比引力理論預期的快，故推測有數量龐大的質量拉住星系外側的恒星，使其不致因過大的離心力而脫離星系。扎維奇還發現，大型星系團中的星系具有極高的運動速度，除非星系團的質量是根據其中恒星數量計算所得到的值的100倍以上，否則星系團根本無法束縛住這些星系。
為解決這一問題，科學家發明了暗物質的概念——宇宙中有大量暗物質，特別是存在大量的非重子物質的暗物質。據天文學觀測估計，宇宙的總質量中，重子物質約占4%。也就是說，宇宙中可觀測到的各種星際物質、星體、恒星、星團、星云、類星體、星系等的總和只占宇宙總質量的4%，96%的物質還沒有被確切地直接觀測到。
1929年，經過9年的努力，愛德文•哈勃獲得了40多個星系的光譜，發現這些光譜都表現出普遍性的譜線紅移。如果這是緣于星系視向運動而引起的多普勒移動，那說明所有樣本星系都在做遠離地球的運動，且速度很大。哈勃根據“所有星云都在彼此互相遠離，而且離得越遠，離去的速度越快”的天文觀測結果得出結論：整個宇宙在不斷膨脹，星系彼此之間的分離運動是膨脹的一部分，而不是由于任何斥力的作用。
為解釋這一現象，科學家在愛因斯坦廣義相對論的場方程里加入了一個“宇宙學常數”，它可促使所有星系或者其他物質加速遠離。科學家將這種與引力相反的斥力來源稱為“暗能量”。
迄今我們能夠給出的只是一個十分粗略的宇宙結構圖景：我們所熟悉的世界，即由普通原子構成的一草一木、山河星月，僅占整個宇宙的4%；22%為暗物質；作為最大組分的74%，則由最為神秘的暗能量構成。暗能量無處不在、無時不在，由于對其性質知之甚少，科學家還不清楚如何在實驗室中驗證其存在，惟一的手段仍是通過天文觀測來了解其奧秘。可以說，籠罩在當代物理界上空的兩大“暗云”——暗物質和暗能量，都與引力息息相關。
讓我們再回到黑洞上來。黑洞是廣義相對論最重要的預言之一，雖然很多天文學觀測都表明黑洞確實存在，但我們對黑洞的具體性質仍知之甚少。比如，黑洞是如何產生并長大的？黑洞的視界究竟是怎樣的存在？黑洞的奇點是怎么回事？廣義相對論在黑洞奇點真的失效了嗎？量子力學在黑洞奇點起作用嗎？這些問題都需要我們進一步研究引力理論，進一步了解引力本質。
目前，人類的科技進步已經到了即將揭示引力本質、發現宇宙奧秘、開啟新一輪物理學革命的前夜。引力波研究很可能是這一系列變革的前哨。
引力波是愛因斯坦廣義相對論的另一個重要預言，是時空曲率的擾動在時空本身的傳播。如果以水面來比喻時空，那么引力波就是時空的漣漪。在某些特定環境之下，加速運動的物體能夠使時空曲率產生變化，并能以波的形式向外光速傳播，這就是引力波的產生機制。
引力波同其他物質的相互作用極其微弱，這使得探測引力波相當困難。也是因為這個原因，引力波攜帶的波源的信息可以毫無阻攔地穿過行進中的星體、星云和星系，到達人類制造的引力波探測器。從這個意義上講，引力波是一種非常好的觀測手段，可以很忠實地反映波源的情況。總之，引力波能穿透電磁波無法穿透的地方，是電磁波的良好互補，為我們探測更深更遠及黑暗面的宇宙提供了一個全新的窗口。
2016年2月，激光干涉引力波天文臺（LIGO）宣布他們在2015年9月14日觀測到了來自兩個黑洞并合時釋放的引力波，證實了愛因斯坦關于引力波存在的預言，并開創了一個新的研究方向——引力波天文學。之后，LIGO和室女座引力波天文臺（Virgo）科學團隊又發布了第二、三、四次引力波事件的探測結果，標志著引力波探測已經進入常態化。
2017年10月16日，LIGO和Virgo科學團隊宣布首次發現雙中子星并合的引力波事件，同時國際引力波電磁對應體觀測聯盟宣布發現該引力波事件的電磁對應體信號。這是人類第一次同時探測到引力波及其對應體，正式開啟了多信使引力波天文學時代。
引力波與電磁波一樣，是一個寬頻信號，承載了引力相互作用的基本自由度，探測和研究引力波為揭示宇宙演化、基礎物理學規律和相對論天體物理動力學提供了新的方法和手段。同時，宇宙中存在大量的引力波源，包括起源于宇宙早期暴漲、反彈的原初引力波，宇宙早期相變產生的相變引力波以及黑洞和中子星并合產生的引力波等，覆蓋了從10-18Hz到104Hz的寬闊頻段。
不同頻段的引力波起源不同，對應的科學目標也不同，將從不同方面促進基礎物理和引力波天文學、宇宙學的發展和突破。LIGO只是多種主流引力波探測方式中的一種，僅能探測約10Hz以上的引力波。因此，LIGO在引力波探測上的成功并非意味著人類有關引力波探測努力的結束；相反，它標志著人類進入了利用引力波進行引力本質、宇宙學和天文學研究的新時代。
在阿赫茲到飛赫茲頻段（10-18Hz~10-15Hz），宇宙極早期的時空量子漲落產生原初引力波，它與LIGO探測到的黑洞并合產生的引力波完全不同。發現原初引力波將從另一方面驗證愛因斯坦的引力波理論。更重要的是，探測原初引力波是對宇宙起源理論，如暴漲理論、宇宙反彈、循環理論等最強有力的實驗檢驗，對研究宇宙起源與演化的基本物理過程具有突破性意義，同時也是基礎物理學的重要研究手段。
在納赫茲頻段（10-9Hz），這部分引力波窗口具有豐富的天文學內容和極高的研究價值。由于星系級黑洞的并合對于宇宙結構形成和演化起著主導作用，這些引力波源的探測直接打開了探索宇宙結構的引力波窗口。在基礎物理方面，這一頻段引力波探測可以獲得其他引力波探測技術難以測量的引力波偏振和色散等重要信息，從而提供進一步檢驗引力理論的可能性。
在中低頻頻段（0.1mHz~1Hz），大質量黑洞并合、大質量黑洞俘獲其他致密天體、雙致密天體繞轉、早期宇宙相變和宇宙弦等潛在波源都能產生頻率處于中低頻頻段的引力波。中低頻頻段引力波探測使得利用引力波深入研究大質量黑洞成為可能，為理解大質量黑洞的形成過程及其與宿主星系演化的聯系，理解在黑洞視界附近的強引力場下和宇宙尺度下引力的本質提供關鍵信息，在科學上具有重大的意義。中低頻頻段引力波探測可以在雙恒星級黑洞從相互接近到最終并合的過程中，先于地面引力波探測器發現其引力波信號；可以覆蓋從宇宙演化極早期的TeV能標的物理過程到現如今銀河系中的致密雙星繞轉，從黑洞視界附近的極小尺度到宇宙演化的極大尺度，其可探測對象幾乎存在于整個宇宙空間；可以對部分波源獲得最高的信噪比、最多數目的探測信號周期，對其的精密測量使得在高精度下測量強引力場下的動力學性質成為可能，從而可以細致地檢驗和研究引力理論。總的來說，中低頻頻段引力波探測的研究對象囊括了由近到遠、由小到大的極為豐富的引力波源，探測范圍可以覆蓋整個宇宙空間，有望在基礎物理、引力波天文學和宇宙學研究中發揮關鍵作用。
在高頻頻段（10Hz以上），恒星級致密天體，如黑洞、中子星等并合可產生周期在毫秒量級的引力波，可為檢驗廣義相對論、研究黑洞性質、探索致密雙星起源、研究極端條件下的物質性質、加深對星系動力學及雙星演化的理解提供幫助。
引力波這個廣義相對論最重要的預言，只在最近才得到直接但有限的驗證。從目前人類對基本相互作用的認識來看，廣義相對論只是一個經典理論，亟須進一步發展。另外，引力理論對認識宇宙及其演化、暗物質和暗能量這兩個本世紀自然科學中最大的謎團都具有關鍵的作用。引力波是研究引力理論、宇宙學和天文學的一個重要途徑，對其的研究已成為各國爭相追逐、未來搶占科技制高點的重要陣地之一。■
（作者系中國科學院力學研究所研究員）
《科學新聞》 (科學新聞2024年12月刊 科普)