胡一鳴

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LIGO發(fā)現(xiàn)引力波：人類(lèi)從此擁有新的宇宙感知力

胡一鳴

海倫·凱勒自幼耳目不通，生活在無(wú)盡的黑暗與寂靜中。她體會(huì)到視聽(tīng)感官被剝奪的痛苦，所以更加珍惜生命的可貴，寫(xiě)下了傳世之作《假如給我三天光明》，感動(dòng)無(wú)數(shù)人。

然而，誰(shuí)又能想到，其實(shí)人類(lèi)在面對(duì)浩瀚的宇宙時(shí)，從來(lái)都是只能遠(yuǎn)觀(guān)而不可聆聽(tīng)。望遠(yuǎn)鏡越來(lái)越大越來(lái)越靈敏，卻僅僅讓天文學(xué)家“目明”而不能“耳聰”。人類(lèi)認(rèn)識(shí)的宇宙，一直是一片寂靜。

2015年9月14日，一個(gè)不管怎么看都十分平常的日子。然而在后世的歷史中，一定會(huì)如此記載：這一天，人類(lèi)認(rèn)識(shí)宇宙，又多了一種新的武器。從此，人類(lèi)不再只用眼睛去看，面對(duì)宇宙，更是洗耳恭聽(tīng)。這一切，僅僅是因?yàn)閮蓚€(gè)叫做高新激光干涉引力波天文臺(tái)的引力波探測(cè)器，在一個(gè)寧?kù)o的夏夜，搜尋到了一陣時(shí)空的漣漪。隨之載入史冊(cè)的，也有這串漣漪的名字：GW150914，在2015 年9月14日探測(cè)到的引力波（GW）。

當(dāng)然，在后世的考古學(xué)家考據(jù)這段歷史時(shí)，也許早就記不清，這是在十幾億光年外，兩個(gè)分別為29倍太陽(yáng)質(zhì)量和36倍太陽(yáng)質(zhì)量的超恒星級(jí)黑洞并合產(chǎn)生的信號(hào)；也大概不會(huì)記得并合發(fā)生在北京時(shí)間下午5 : 51；或許早就已經(jīng)忘卻，這個(gè)信號(hào)在從20 Hz躍升到150 Hz的并合頻率時(shí)只用了不到0.2 s的時(shí)間；更甚至，連它是來(lái)自南天球這一點(diǎn)都會(huì)被湮沒(méi)在歷史的塵埃中；腦洞開(kāi)得再大一點(diǎn)，也許未來(lái)的科學(xué)家早就用更高效的方法探測(cè)或產(chǎn)生引力波，以至于用激光干涉探測(cè)引力波這樣的想法顯得如同史前時(shí)代一般。

然而，他們一定會(huì)仔細(xì)玩味，人類(lèi)首次直接探測(cè)引力波信號(hào)的那一年恰恰是愛(ài)因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論的一百周年整；而宣布這一探測(cè)的年份，又恰恰是愛(ài)因斯坦根據(jù)廣義相對(duì)論推導(dǎo)得出引力波的一百周年。

引力波——跨越百年的追尋

1915年，愛(ài)因斯坦用那美妙的場(chǎng)方程道出了引力的奧秘——時(shí)空命令物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)，而物質(zhì)引導(dǎo)時(shí)空如何彎曲。愛(ài)因斯坦很自然地就聯(lián)想到，當(dāng)物質(zhì)在時(shí)空中運(yùn)動(dòng)時(shí)，時(shí)空會(huì)如何隨之改變呢？很快，他就得到了一個(gè)他稱(chēng)之為引力波的數(shù)學(xué)解。當(dāng)一列引力波向你迎面走來(lái)時(shí)，你會(huì)忽而又高又瘦，忽而又矮又胖，并且循環(huán)往復(fù)——當(dāng)然，這個(gè)變化實(shí)在是非常的微小，所以愛(ài)因斯坦很快就斷言，引力波無(wú)法被探測(cè)到。

廣義相對(duì)論還預(yù)言出各種千奇百怪的東西來(lái)，最有名的大概就屬黑洞了。愛(ài)因斯坦對(duì)于黑洞很是花了一番時(shí)間研究，然而對(duì)于他而言，這些研究就好像是報(bào)紙上的趣味問(wèn)答，好玩，有趣，有著智力的挑戰(zhàn)，但同時(shí)也沒(méi)有任何實(shí)際意義。自始至終，愛(ài)因斯坦從來(lái)沒(méi)有正兒八經(jīng)地相信過(guò)在真實(shí)的宇宙里會(huì)存在黑洞這樣的東西。

GW150914，卻恰恰以5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差以上的顯著水平確認(rèn)GW150914是一個(gè)真實(shí)的信號(hào)。上面的圖片意味著，兩個(gè)黑洞在并合前——也就是引力波的頻率差不多達(dá)到150 Hz時(shí)——相距僅僅幾百公里。在這么大的質(zhì)量下靠這么近還能不發(fā)生并合的，只有黑洞了。

正如馬克斯·普朗克引力物理研究所(阿爾伯特·愛(ài)因斯坦研究所)的所長(zhǎng)布魯斯·艾倫(Bruce Allen)所說(shuō)，“愛(ài)因斯坦當(dāng)初認(rèn)為引力波太過(guò)微弱而無(wú)法探測(cè)，并且他從未相信過(guò)黑洞的存在。不過(guò)，我想他并不介意自己在這些問(wèn)題上弄錯(cuò)了?！?/p>

在廣義相對(duì)論提出之后一個(gè)世紀(jì)，它的幾個(gè)重要預(yù)言意義得到了認(rèn)證。即使在黑洞并合這樣極強(qiáng)的引力場(chǎng)條件下，觀(guān)測(cè)得到的引力波演化也和廣義相對(duì)論的預(yù)言高度吻合。在現(xiàn)代物理學(xué)里，很少能看到這樣一個(gè)理論經(jīng)歷百年風(fēng)雨依然屹立不倒了。

對(duì)雙星并合信號(hào)的搜索，定量地顯示了同噪聲起伏產(chǎn)生的背景相比，GW150914是多么地罕見(jiàn)。這一搜索可以斷定由噪聲偽裝成GW50914是極端罕見(jiàn)的——少于每?jī)扇f(wàn)年一次——這一數(shù)值等同于高于五倍標(biāo)準(zhǔn)差的探測(cè)顯著性。

眾里尋他千百度

悄悄的我走了，正如我悄悄的來(lái)；我揮一揮衣袖，不帶走一片云彩。

引力波，便是這樣，來(lái)無(wú)影，去無(wú)蹤。它就好像是鐵掌水上漂的輕功高手，縱使自身攜帶著巨大的能量，也能做到踏沙無(wú)痕。這因?yàn)榇耍Σǖ臏y(cè)量才如此困難，困擾著一代又一代的物理學(xué)家。

這個(gè)原因還得從引力的性質(zhì)說(shuō)起。對(duì)初中物理萬(wàn)有引力公式稍作回憶，就可以想起所謂的萬(wàn)有引力常數(shù)G，其數(shù)值是67×10-11m3·kg-1·s-2這一極其微小的數(shù)字意味著，相比其他3種基本作用力（強(qiáng)力，弱力，電磁力），引力實(shí)在是太微弱了。我們不妨把時(shí)空想象成一根彈簧，時(shí)空中的質(zhì)量變化會(huì)導(dǎo)致彈簧的伸縮。但是由于引力常數(shù)太過(guò)微小，所以時(shí)空這根彈簧非常之硬，以至于其改變量極難察覺(jué)。即使施加巨大的能量也僅僅能夠改變分毫。

這是引力波的極大的優(yōu)點(diǎn)，卻恰恰也是引力波最大的缺點(diǎn)。

說(shuō)它是優(yōu)點(diǎn)，是因?yàn)樗鼧O少與物質(zhì)相互作用，所以阻隔得再厚的墻壁在引力波面前都如同透明一般。反觀(guān)傳統(tǒng)意義上的天文觀(guān)測(cè)手段，一般都使用不同光子作為觀(guān)測(cè)媒介。而光子卻很容易與物質(zhì)發(fā)生相互作用。舉個(gè)例子，太陽(yáng)核心區(qū)域發(fā)出的光子在太陽(yáng)內(nèi)部不斷地被吸收——輻射——吸收——輻射，平均來(lái)說(shuō)，需要花上100萬(wàn)年時(shí)間才能走到太陽(yáng)表面。所以，當(dāng)我們觀(guān)測(cè)到來(lái)自太陽(yáng)表面的光子時(shí)，我們是沒(méi)有任何辦法直接探究太陽(yáng)中心的情形的。

引力波則不然，它率性至極，一旦產(chǎn)生，便乘興而來(lái)，似乎什么都阻擋不住它的步伐，因此它包含著源的中心區(qū)域最核心的信息?？墒?，引力波的“率性”是一把雙刃劍，在帶來(lái)核心信息的同時(shí)，也讓探測(cè)極為困難。

目前的LIGO干涉儀由兩條分別長(zhǎng)達(dá)4 km并且互相垂直的干涉臂構(gòu)成。沿著每條臂傳播的激光束在末端反光鏡（懸掛的測(cè)試質(zhì)量）處被反射。當(dāng)引力波經(jīng)過(guò)時(shí)，時(shí)空的伸縮導(dǎo)致一條臂長(zhǎng)變長(zhǎng)的同時(shí)另一條臂長(zhǎng)變短。當(dāng)兩條臂的長(zhǎng)度變得不同時(shí)，激光束在兩臂傳播時(shí)間不再相同，也就是說(shuō)兩束激光束的相位不再同步，于是所謂的干涉條紋產(chǎn)生了。經(jīng)過(guò)數(shù)年升級(jí)工作的高新LIGO，能檢測(cè)出引力波所引起的小于質(zhì)子直徑萬(wàn)分之一尺度的變化量來(lái)。

再看一下這一次探測(cè)到的GW150914，其釋放出的峰值功率要比可觀(guān)測(cè)宇宙中所有星系的光度總和的十倍還要多，如此巨大的能量意味著雙黑洞系統(tǒng)在短短的一秒鐘之內(nèi)將重達(dá)3倍太陽(yáng)質(zhì)量（也就是大約六百萬(wàn)億億億千克）的物質(zhì)通過(guò)質(zhì)能方程E=mc2轉(zhuǎn)化成了巨大的能量。要知道，太陽(yáng)——這對(duì)人類(lèi)而言無(wú)比巨大的能量源——每秒鐘也不過(guò)是吧40億千克的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能量。兩相比較，可謂懸殊巨大！

一個(gè)世界的長(zhǎng)跑接力抵達(dá)了終點(diǎn)，但是一個(gè)新的時(shí)代，才剛剛悄然開(kāi)啟。

作為一個(gè)普通的科研工作者，有幸出生在這個(gè)時(shí)代，見(jiàn)證這一偉大的歷史性突破，更重要的是親身參與進(jìn)這樣的歷史進(jìn)程，我感到三生有幸。然而，哪怕你不是物理學(xué)家，一樣可以為搜索引力波做貢獻(xiàn)！

如果并合過(guò)程中釋放的所有能量以可見(jiàn)光的形式輻射出來(lái)，那么即便它發(fā)生在10多億光年之外，它仍將在一瞬間比滿(mǎn)月更耀眼！可是如此巨大的能量，在經(jīng)過(guò)地球時(shí)，卻僅僅耗散了10-17J的能量，相當(dāng)于一個(gè)X射線(xiàn)光子的能量?？v是弱水三千，我只能取一瓢飲之，引力波的探測(cè)之難，亦不難想見(jiàn)。

引力波探測(cè)，是終點(diǎn)，更是起點(diǎn)

引力波的探測(cè)，是長(zhǎng)達(dá)一個(gè)世紀(jì)物理學(xué)家夢(mèng)幻的達(dá)成，是上千科學(xué)家數(shù)十年辛勤付出的回報(bào)，它意味著一個(gè)終點(diǎn)。

但同時(shí)，它更是一個(gè)起點(diǎn)。第一次直接探測(cè)引力波，僅僅是一個(gè)偉大時(shí)代的開(kāi)端。

引力波的意義，不僅僅是驗(yàn)證廣義相對(duì)論，更對(duì)天文探測(cè)起著無(wú)比重要的作用。比如說(shuō)，在正式運(yùn)行之前，幾乎沒(méi)有人會(huì)相信第一個(gè)探測(cè)到的引力波信號(hào)會(huì)是雙黑洞并合，而且是質(zhì)量如此之大的黑洞雙星。通過(guò)這一次觀(guān)測(cè)，我們知道了數(shù)十倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞是可以存在的，這意味著其前身星必定金屬含量比較低，同時(shí)星風(fēng)比較弱。我們還可以限制這類(lèi)事件的發(fā)生率，并且預(yù)測(cè)下一次科學(xué)運(yùn)行時(shí)能有多少個(gè)探測(cè)結(jié)果。這一切，都無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的電磁波天文學(xué)得到。

事實(shí)上，引力波不光具備視覺(jué)所不能及的信息，其與人的聽(tīng)覺(jué)還有另一種異曲同工之妙：正如堵住一個(gè)耳朵，人就無(wú)法分辨聲音的來(lái)源，只靠一個(gè)引力波探測(cè)器，也無(wú)法確定致密雙星并合的信號(hào)。而現(xiàn)在測(cè)量致密雙星并合信號(hào)的天空來(lái)源的方法，正如同人的聽(tīng)覺(jué)一樣，靠到達(dá)兩個(gè)耳朵的時(shí)間差，和到兩個(gè)耳朵的信號(hào)的強(qiáng)弱比決定。因此，以地球?yàn)槟X袋，引力波探測(cè)器為耳朵，LIGO的科學(xué)家們架設(shè)起了一座傾聽(tīng)宇宙的招風(fēng)巨耳。

引力波的種類(lèi)有很多，LIGO的科學(xué)目的除了探測(cè)來(lái)自致密雙星并合的信號(hào)外，也會(huì)搜索來(lái)自銀河系內(nèi)的中子星的連續(xù)信號(hào)。這個(gè)搜索由于需要大量計(jì)算資源，哪怕用上LIGO自己的超級(jí)計(jì)算機(jī)也不夠，所以常年征求志愿者貢獻(xiàn)CPU時(shí)間，只需要登錄http://www.einsteinathome.org/，你就可以下載Einstein@Home的程序，用你電腦的閑暇時(shí)間的空余CPU，處理來(lái)自L(fǎng)IGO的數(shù)據(jù)，搜索時(shí)空的漣漪。

無(wú)盡的自然之謎正在徐徐展開(kāi)。我們的征途，在星辰大海！?

【作者單位：德國(guó)馬克斯-普朗克引力物理研究所；清華大學(xué)】

（本文由饒毅、魯白、謝宇主編的《知識(shí)分子》（微信公眾號(hào)：The-Intellectual）授權(quán)轉(zhuǎn)載，圖和參考文獻(xiàn)已省略。）

責(zé)任編輯：吳曉麗

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