石无鱼

球面波和平面波

引力波是大质量物体（如黑洞、白矮星等）运动、碰撞时产生的时空涟漪。大多数引力波都是球面波，就是说，当它们向外传播的时候，就像球膨胀起来一样，以一个点为中心，向四面八方均匀地传播。引力波传播越远，强度越小——譬如说，两颗白矮星碰撞，在碰撞点引力波本来是很强的，但传到我们遥远的地球上，强度就衰减到仅能让长4千米的引力波探测器伸缩大约一个质子直径的千分之一了。

但是，引力波并非只能是球面波。当高能物体或粒子以接近光速运动时，理论上说会产生一种不同类型的引力波：平面波。平面波在生活中不太常见。潮汐就是近似平面波的一个例子。你看潮汐来的时候，在开阔的海面上，一排排整齐的浪涌来又退去，这是一列列的平面波在运动。还有，你在池塘上扔下一块石头，圆形的水波荡漾开去，传到远处，看起来几乎就像平面波了。事实上，前几年由美国激光干涉仪引力波天文台（LIGO）探测到的引力波，传到地球上，几乎就可以看作是平面波了。

平面波的强度是不会随距离衰减的，因为它的能量不像球面波那样发散。就像牛顿第一运动定律所说的那样，在不存在外力的情况下，运动的物体都会保持匀速直线运动，平面波也是一样。所以，如果不考虑障碍和吸收，平面波传到任何地方都能保持一样的强度。

平面引力波的“碰撞”

最近，美国的两位理论物理学家考虑了这样一个有趣的问题：假如有两列以平面波形式传播的引力波面对面相遇，会发生什么事情？

他们做了电脑模拟。

他们发现，当两列波的强度较小时，它们会像一般的平面波一样，在相遇时有的地方振幅变大，有的地方振幅变小（这就是所谓“波的叠加”），等到相遇结束，两列波将若无其事地继续各自往远处传播。

但是，如果这两列引力波足够强，事情就完全不同了：它们在相遇叠加的时候，如果叠加后的振幅大到一定程度，某个地方的时空弯曲得过于厉害，就会自动蜷缩起来，坍塌成一个黑洞。黑洞形成后，将把波中85%的能量吞噬掉，剩下的15%中，一小部分能量在外围绕着黑洞旋转，其余能量则向外传播。

其实，就一般的平面波而言，不论强度如何，它们在相遇，在发生过波的叠加之后，都会若无其事地各自传播——这也是波的“碰撞”不同于粒子的碰撞的特点。而引力波之所以在强度足够大时，会有如此与众不同的表现，是因为：对于别的波，时空只是它们运动的背景;而引力波，它们本身就是时空的波动。

黑洞并不容易产生

2008年，当欧洲大型强子对撞机首次投入使用的时候，也有人曾在理论上预言，高能粒子相撞会形成微型黑洞，当时还引发了一些人的恐慌。现在看来，不管当初提出的粒子相撞形成微型黑洞的機制是什么，对撞机将粒子束加速到接近光速，然后让它们碰撞——这个过程是可以产生平面的引力波的。如果引力波足够强，那么按最近这两位美国物理学家的看法，就能产生微型黑洞。

不过，目前这些粒子束还没有足够的能量制造出一个形成黑洞的引力波，要做到这一点，需要建一个比太阳系还大的粒子对撞机。不要说地球上的对撞机不能，就是在全宇宙，目前也还没有发现任何东西能产生可以通过对撞形成黑洞的平面引力波。

所以美国的两位理论物理学家提出的“引力波强度大时可以形成黑洞”理论，没法验证，也只能停留在纸面上了。