泓宇

“引力波具有很強(qiáng)的穿透能力，因此它們可使我們直接觀測(cè)到超新星爆炸、伽馬射線暴和其它大量宇宙隱藏的秘密信息?！?/p>

——德國(guó)科學(xué)家伯納德-舒茨

2016年2月12日，全世界的物理學(xué)界都沸騰了——已經(jīng)在百年前就有所預(yù)言的引力波，終于被探測(cè)到了。據(jù)媒體報(bào)道，一位物理學(xué)家如此形容自己的心情：“堂堂男子漢很少哭，當(dāng)時(shí)心中忽然暖流涌動(dòng)，但還是強(qiáng)忍住沒(méi)哭。那是一種強(qiáng)烈的感動(dòng)，感動(dòng)到想哭的感覺(jué)。整個(gè)新聞發(fā)布會(huì)上，我一直強(qiáng)忍著?！?/p>

作為一個(gè)普通大眾，突然間“引力波”也在我們的各種社交媒體上刷屏了，但是卻很少有人知道，引力波到底是什么？為什么探測(cè)到它需要百年努力？它又能給世界帶來(lái)什么呢？

發(fā)現(xiàn)引力波的歷史過(guò)程

引力波是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論所預(yù)言的一種以光速傳播的時(shí)空波動(dòng)，是時(shí)空曲率的擾動(dòng)以行進(jìn)波的形式向外傳遞的一種方式。

1916年愛(ài)因斯坦預(yù)測(cè)了引力波的存在。當(dāng)時(shí)的理論認(rèn)為，引力波的討論與坐標(biāo)的選取有關(guān)，因此引力波究竟是引力場(chǎng)的性質(zhì)或虛假坐標(biāo)效應(yīng)，還是從發(fā)射場(chǎng)中外溢的能量一直未能澄清。到20世紀(jì)50年代，與坐標(biāo)選取無(wú)關(guān)的引力輻射理論出現(xiàn)并計(jì)算出愛(ài)因斯坦真空?qǐng)龇匠痰膰?yán)格波動(dòng)解，并預(yù)測(cè)粒子在引力波的作用下的運(yùn)動(dòng)。

20世紀(jì)60年代，美國(guó)的物理學(xué)家韋伯首先提出了一種共振型引力波探測(cè)器。該探測(cè)器由多層鋁筒構(gòu)成，直徑1米，長(zhǎng)2米，質(zhì)量約1000千克，用細(xì)絲懸掛起來(lái)。當(dāng)引力波經(jīng)過(guò)圓柱時(shí)，圓柱會(huì)發(fā)生共振，進(jìn)而可以通過(guò)安裝在圓柱周?chē)膲弘妭鞲衅鳈z測(cè)到。韋伯曾經(jīng)在相距1000千米的兩個(gè)地方同時(shí)放置了相同的探測(cè)器，只有兩個(gè)探測(cè)器同時(shí)檢測(cè)到相同的信號(hào)才被記錄下來(lái)。1968年，韋伯宣稱他探測(cè)到了引力波，立刻引起了學(xué)界的轟動(dòng)，但是后來(lái)的重復(fù)實(shí)驗(yàn)卻都一無(wú)所獲。

2016年2月11日，美國(guó)科研人員宣布他們利用激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）“探測(cè)到引力波的存在”。當(dāng)兩個(gè)黑洞于約13億年前碰撞，兩個(gè)巨大質(zhì)量結(jié)合所傳送出的擾動(dòng)，于2015年9月14日抵達(dá)地球并被檢測(cè)到。這最終證實(shí)了愛(ài)因斯坦100年前所做的預(yù)測(cè)。愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中最后一塊缺失的“拼圖”被填補(bǔ)了。

讓我們來(lái)通俗科普一下

聽(tīng)了上述充滿“科學(xué)”色彩的講述，雖然專業(yè)、嚴(yán)謹(jǐn)，但是恐怕有些讀者會(huì)說(shuō)，太深?yuàn)W了，我看不太懂！所以經(jīng)過(guò)專業(yè)的科普，下面我們?cè)俳o大家通俗地科普一下。

首先，問(wèn)一個(gè)問(wèn)題，大家是否還記得引力是什么嗎？

很多人對(duì)引力的課本記憶還停留在“重力”，重復(fù)了一千遍的“一顆蘋(píng)果砸到牛頓腦袋上”的故事。普通人對(duì)引力的理解，應(yīng)該是“兩個(gè)物體天生就有互相吸引靠近的力，叫做引力”。這是一個(gè)必須被糾正的常識(shí)，引力并不是一種“力”，它是一種屬性，我們生存的宇宙空間（嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是時(shí)空，時(shí)間空間互相影響，不可分割）的一種幾何特性。

很多人會(huì)認(rèn)為空間是獨(dú)立于任何東西存在的。就像一個(gè)空曠的舞臺(tái)，沒(méi)人的時(shí)候存在，有人的時(shí)候也存在，臺(tái)上會(huì)有各種表演，或者堆滿了各式道具，而無(wú)論上面發(fā)生了什么，都是表演者和道具的事，舞臺(tái)不受影響。由此展開(kāi)去，大家似乎也理所應(yīng)當(dāng)?shù)卣J(rèn)為，空間是我們棲身的地方，無(wú)論在地球還是在宇宙，“舞臺(tái)”本身是永恒的獨(dú)立存在。但是后來(lái)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)“舞臺(tái)”并不是不受任何影響，“舞臺(tái)”會(huì)因有質(zhì)量物體的存在而“彎曲”。

空間會(huì)彎曲，而不是平整的？空間可以被“掰彎”，這聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)不可思議，有人不禁要說(shuō)證據(jù)何在呢？

日食可以證明光線“可彎”

證據(jù)之一就是眾所周知的日食現(xiàn)象。大家都知道理論上光線是沿直線傳播的，但實(shí)際中有時(shí)候看到光線也會(huì)發(fā)生“彎曲”，其實(shí)并不是光本身發(fā)生了彎曲，而是空間發(fā)生了彎曲，即光走的路是“彎”的。

牛頓力學(xué)認(rèn)為月球繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)是因?yàn)樵虑蚴艿降厍蛞Φ奈?，但廣義相對(duì)論則認(rèn)為是地球的質(zhì)量扭曲了附近的時(shí)空，月球在彎曲時(shí)空以最自然的方式運(yùn)行，走出了一條繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的曲線。就如火車(chē)沿鐵軌運(yùn)行一樣，當(dāng)鐵軌變彎曲后，火車(chē)自然沿彎曲的鐵軌運(yùn)行。

1911年愛(ài)因斯坦預(yù)言，當(dāng)恒星的光非常接近太陽(yáng)時(shí)，太陽(yáng)的引力將會(huì)有一個(gè)小小的偏離，并第一次提出這種恒星光線的彎曲是可以測(cè)量的。

1915年愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論發(fā)表，并計(jì)算出星光在穿過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)所產(chǎn)生的偏折角度為1.75角秒。光線在引力場(chǎng)中的彎曲，廣義相對(duì)論計(jì)算的結(jié)果比牛頓理論正好大了1倍，愛(ài)丁頓和戴森的觀測(cè)隊(duì)利用1919年5月29日的日全食進(jìn)行觀測(cè)的結(jié)果，證實(shí)了廣義相對(duì)論是正確的。

時(shí)空震蕩引力波

說(shuō)完了引力，再來(lái)說(shuō)說(shuō)引力波。引力波不是一般意義上的“波”，而是空間持續(xù)的扭曲震蕩。空間可以被扭曲，因?yàn)橛匈|(zhì)量物體的存在。那超大質(zhì)量物體，可以把空間扭曲到什么程度？

黑洞這種理論預(yù)言存在的天體，可以把空間扭曲成一個(gè)“無(wú)底洞”，任何東西只要“掉進(jìn)去”就再也出不來(lái)。如果兩個(gè)黑洞，互相旋轉(zhuǎn)，持續(xù)不斷扭曲周?chē)臅r(shí)空，就可以引發(fā)時(shí)空震蕩。而時(shí)空震蕩，就是新聞里說(shuō)的引力波。

一句話解釋，引力是空間“被掰彎”的程度，數(shù)學(xué)定義叫曲率，而彎曲的程度受物質(zhì)質(zhì)量的影響，兩個(gè)超大質(zhì)量的物體互相旋轉(zhuǎn)，周?chē)粡澢目臻g就會(huì)發(fā)生持續(xù)的拉伸和收縮震蕩。

這次探測(cè)到的引力波是由13億光年之外的兩顆黑洞在合并的最后階段產(chǎn)生的。兩顆黑洞的初始質(zhì)量分別為29顆太陽(yáng)和36顆太陽(yáng)，合并成了一顆62倍太陽(yáng)質(zhì)量高速旋轉(zhuǎn)的黑洞，虧損的質(zhì)量以強(qiáng)大的震蕩，也就是引力波的形式釋放到宇宙空間，經(jīng)過(guò)13億年的漫長(zhǎng)旅行，終于抵達(dá)了地球，并被美國(guó)的LIGO探測(cè)到。

LIGO在向愛(ài)因斯坦致敬？

LIGO的全名叫做“激光干涉引力波天文臺(tái)”，由兩個(gè)探測(cè)器構(gòu)成，一個(gè)在華盛頓州的漢福特，另一個(gè)在路易斯安那州的列文斯頓。這兩個(gè)探測(cè)器由兩個(gè)長(zhǎng)達(dá)4千米的光學(xué)腔，或稱懸臂構(gòu)成，排成L型。如果沒(méi)有引力波的影響，激光在兩個(gè)光學(xué)懸臂中到達(dá)探測(cè)器時(shí)保持嚴(yán)格的180°相位差，這時(shí)沒(méi)有信號(hào)產(chǎn)生。垂直于探測(cè)器平面?zhèn)鞑サ囊Σ〞?huì)破壞這一相消干涉。在前一個(gè)半周期內(nèi)，引力波會(huì)縮短其中一個(gè)光學(xué)懸臂而將另一個(gè)加長(zhǎng)；在后半個(gè)周期內(nèi)，這個(gè)過(guò)程被反轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)。懸臂長(zhǎng)度的變化會(huì)改變兩束激光的相位差，破壞相消干涉，使光探測(cè)器檢驗(yàn)出信號(hào)。LIGO的研究人員可以利用這樣兩種干涉來(lái)排除其他干擾信號(hào)（例如地表震動(dòng)帶來(lái)的波），這種干擾信號(hào)一般不能同時(shí)作用于兩個(gè)探測(cè)器。

LIGO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的靈敏度非常優(yōu)異，以至于精度可以達(dá)到兩個(gè)光學(xué)懸臂長(zhǎng)度相差一個(gè)原子核量級(jí)都能夠感知。對(duì)LIGO實(shí)驗(yàn)組來(lái)說(shuō)，最大的挑戰(zhàn)是探測(cè)器噪音，主要來(lái)自于地面震動(dòng)波，熱運(yùn)動(dòng)以及光子入射噪音。這些擾動(dòng)可以輕易掩蓋我們想要尋找的引力波微弱信號(hào)。2015年，LIGO完成了升級(jí)，針對(duì)頻率在100-300 赫茲的波，優(yōu)化了3-5個(gè)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而針對(duì)60赫茲以下的波，優(yōu)化了超過(guò)10個(gè)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。這些改進(jìn)使得探測(cè)器更容易分別不同的波動(dòng)來(lái)源，這對(duì)尋找引力波尤其關(guān)鍵。

2015年9月14日，改進(jìn)版LIGO剛剛工作兩天，實(shí)驗(yàn)人員就發(fā)現(xiàn)了用肉眼都可以分辨的強(qiáng)烈信號(hào)。信號(hào)中最強(qiáng)烈的部分持續(xù)了約0.2秒，在兩個(gè)探測(cè)器中均發(fā)現(xiàn)了此信號(hào)，信號(hào)噪聲比為24。研究人員將這世界上第一個(gè)引力波信號(hào)很恰當(dāng)?shù)姆Q作GW150914（Gravitational Wave+日期），此時(shí)距離愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論發(fā)現(xiàn)100周年紀(jì)念日僅僅不到兩個(gè)月。

最后讓我們?cè)僖脙晌豢茖W(xué)家的評(píng)價(jià)，讓大家深刻理解一下發(fā)現(xiàn)引力波的重大意義所在——

“通過(guò)這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，我們?nèi)祟?lèi)開(kāi)啟了一場(chǎng)波瀾壯闊的新旅程：一場(chǎng)對(duì)于探索宇宙那彎曲的一面（從彎曲時(shí)空而產(chǎn)生的事物和現(xiàn)象）的旅程。黑洞的碰撞和引力波的觀測(cè)正是這個(gè)旅程中第一個(gè)完美的范例?！薄鞫鳎↘ip Thorne）

“引力波的直接探測(cè)實(shí)現(xiàn)了50年前就設(shè)定好了的偉大目標(biāo)：直接探測(cè)難以捕捉的事物，更好地理解宇宙，以及，在愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論100周年之際完美地續(xù)寫(xiě)愛(ài)因斯坦的傳奇?！?——加州理工學(xué)院，LIGO天文臺(tái)的執(zhí)行官萊茲（David H. Reitze）