時空的漣漪

2016年2月12日，各路媒體都在傳播同一個消息：2015年9月14日，位于美國的兩只引力波探測器同時探測到一個短暫的引力波信號，這個信號源自距地球約13億光年的雙黑洞系統(tǒng)的合并。兩個黑洞的質(zhì)量分別是36個太陽質(zhì)量和29個太陽質(zhì)量，其中，引力波輻射損失的質(zhì)量大約為3個太陽質(zhì)量。這個發(fā)現(xiàn)不但表明宇宙中存在太陽質(zhì)量級別的雙黑洞系統(tǒng)，更是人類第一次成功探測到引力波，也是首次探測到兩個黑洞的合并。

引力波是什么？

尋找引力波是尋找廣義相對論效應(yīng)的工作的一部分，那些效應(yīng)往往難于測量。根據(jù)廣義相對論，時間和空間會因質(zhì)量發(fā)生彎曲，時空彎曲的直觀效果就是我們感受的萬有引力。

如果把整個宇宙想象成一張蹦床，把天體想象成放在蹦床上的一個個重物，只要拎著蹦床一角抖動，就相當(dāng)于在蹦床的蒙皮邊緣制造了形變，這個形變波動會沿著蹦床蒙皮傳播開來，那些天體重物之間的時空距離就會隨之改變。根據(jù)廣義相對論，足夠重的物體就可以產(chǎn)生足夠大的時空畸變，當(dāng)這些物體獲得加速度后就會激發(fā)引力波，也就是時空自身形變的傳播。這樣在引力波穿過的時候，天體所在時空本身會發(fā)生反復(fù)的收縮和擴張，從而使得它們的距離發(fā)生波動變化。如果我們能夠測量出這個距離的相對變化，就能探測到引力波的蹤跡。

來自宇宙中各種源頭的引力波經(jīng)常掠過地球，但引力是比其他基本自然力更微弱的力，以至于我們幾乎從來感覺不到它們。愛因斯坦曾認(rèn)為引力波也許永遠(yuǎn)都不會被探測到，他甚至兩次宣布引力波不存在，然后又一次次地修正自己的預(yù)測。當(dāng)時，一個懷疑者曾評論說：引力波好像是靠著“思維的速度在傳遞”。

科學(xué)家認(rèn)為，探測微弱的引力波，如同在一場喧鬧的聚會上辨識一首歌。宇宙以光的形式向人類傳遞了太多信息，如今引力波在時空中向我們傳遞著類似聲音的新信息。參與引力波發(fā)現(xiàn)的魏因施泰教授說：“這正如在時間和空間中演奏的樂曲，由黑洞用力撥動的吉他琴弦。這只是交響樂的開始，而非結(jié)束。”

雖然科學(xué)家喜歡把引力波比喻成一種“聲音”，但引力波并不是聲音。聲音在空氣、水、固體等介質(zhì)中傳播，但引力波理論上是以光速傳播，并可以在真空中傳播。引力波是一種全新的振動方式，如同用非常大的能量，在宇宙中敲響了一面蒙皮緊繃的鼓。引力波是時空自身的波動，不像星光那樣的電磁波總要被星際塵埃吸收和散射掉很多。引力波能夠幾乎無耗散地穿過宇宙，因此，只要人學(xué)會了怎么去“聽”，一定能夠聽到無數(shù)星星以及其他神秘天體的呢喃私語。也許有朝一日，天文學(xué)家可以像影片《超時空接觸》中的科學(xué)家那樣，戴上耳機聆聽轉(zhuǎn)化為聲音信號的引力波信號。

在強光的無聲沖擊下，地核釋放出了積蓄已久的能量，頃刻間引力波一次又一次地沖擊整個太陽系，其他行星并沒有受到很大影響，它們依舊沿著古老的軌道運行著，就像在水面漂浮的木塞，隨著石頭投入水中產(chǎn)生的漣漪在輕輕蕩漾。

——[英]阿瑟·克拉克《童年的終結(jié)》（1953）

引力波簡史

雖然愛因斯坦在1916年曾預(yù)言加速的質(zhì)量可能產(chǎn)生引力波，但他提出的引力波與坐標(biāo)的選取有關(guān) —— 在某一個參考系看來，引力波可能有能量，而換一個參考系可能就沒有能量。因此在引力波概念提出之初，包括愛因斯坦本人在內(nèi)的大多數(shù)物理學(xué)家對引力波的存在都持懷疑態(tài)度。1959年，邦迪、皮拉尼和羅賓森進(jìn)一步證明，靜止物體在引力波脈沖作用下會產(chǎn)生運動，于是間接地證明引力波攜帶能量，并可被探測到。這為探測引力波提供了理論依據(jù)。

第一個嘗試探測引力波的人，是美國馬里蘭大學(xué)工程學(xué)教授約瑟夫·韋伯，他把自己的設(shè)備命名為“諧振條天線”。韋伯認(rèn)為，鋁制的圓柱體會像“鈴鐺”一樣放大微弱的引力波。他發(fā)明的探測器由多層鋁筒構(gòu)成，直徑1米，長2米，質(zhì)量約1000千克。當(dāng)引力波“撞到”圓柱體時，圓柱體會輕微地振動，圓柱周圍的傳感器會把這種振動轉(zhuǎn)化為電信號。為了確保測量到的不是受周圍經(jīng)過的汽車或者輕微地震影響的振動，韋伯發(fā)明了一些保護(hù)措施：他將諧振條懸掛在真空中，并同時運行著兩根相距1000千米的諧振條。如果分處兩地的諧振條在微小時間間隔中產(chǎn)生同樣的振動，就可能是引力波造成的。

1969年，韋伯宣布諧振條記錄了引力波事件。物理學(xué)家和媒體為之轟動，《紐約時報》當(dāng)時報道：“人類對宇宙觀測的又一頁新篇章被翻開了。”很快，韋伯每天都報道有信號記錄。不過，其他實驗室使用類似設(shè)備都沒有觀察到同樣的結(jié)果。到1974年，很多人都認(rèn)為韋伯的結(jié)果有誤。后來，世界各國又陸續(xù)建造了一些柱狀探測器，但效果均不理想。

20世紀(jì)70年代，美國加州理工學(xué)院的物理學(xué)家萊納·魏斯等人開始考慮使用激光干涉方法探測引力波，其原理類似于邁克爾遜干涉儀。但引力波的探測對儀器的靈敏度要求非常高，要能夠在1000米的距離上感知10-18米的變化，這幾乎等同于測量質(zhì)子直徑千分之一的形變。直到20世紀(jì)90年代，如此高靈敏度探測所需的技術(shù)條件才逐漸趨于成熟。

1991年，麻省理工學(xué)院與加州理工學(xué)院在美國國家科學(xué)基金會的資助下，開始聯(lián)合建設(shè)LIGO（“激光干涉引力波天文臺”的英文縮寫）。1999年建成時，共耗資3.65億美元。2005年至2007年，LIGO進(jìn)行升級改造，包括采用更高功率的激光器、進(jìn)一步減少振動等，升級后的LIGO被稱為“增強LIGO”。2009年7月到2010年10月，“增強LIGO”開始運行，但未能探測到引力波存在的可靠證據(jù)。2015年，最新升級版的LIGO正式投入使用。不久后，它就作出了歷史性的發(fā)現(xiàn)。

羅輯一家遠(yuǎn)遠(yuǎn)就看到了引力波天線，……天線是一個橫放的圓柱體，有一千五百米長，直徑五十多米，整體懸浮在距地面兩米左右的位置。它的表面也是光潔的鏡面，一半映著天空，一半映著華北平原。

——劉慈欣《三體Ⅱ：黑暗森林》（2008）

引力波是怎樣發(fā)現(xiàn)的？

大約十年前，物理學(xué)家基普·索恩在《星際穿越》劇本初稿中，設(shè)想讓未來人類通過LIGO和引力波發(fā)現(xiàn)蟲洞。但《星際穿越》的導(dǎo)演認(rèn)為，即使不提引力波，電影中也已有足夠多的嚴(yán)肅科學(xué)理念，因此在他們精簡影片中的科學(xué)元素時，就把上述的情節(jié)刪去了。

作為該片的科學(xué)顧問——基普·索恩之所以對引力波情有獨鐘，源于他正是倡導(dǎo)建設(shè)LIGO的三人小組成員之一。愛因斯坦的廣義相對論指出質(zhì)量導(dǎo)致時空彎曲，引力波是探測時空彎曲的理想工具。研究時空彎曲的理想地點之一，是在兩個大質(zhì)量黑洞發(fā)生碰撞的地方。當(dāng)兩個黑洞合并時，時空會發(fā)生劇烈的旋轉(zhuǎn)，并輻射出強大的引力波。基普·索恩率領(lǐng)的團隊曾用超級計算機計算了廣義相對論方程的數(shù)值解，然后模擬了雙黑洞碰撞的過程。現(xiàn)在，LIGO的觀測驗證了他們數(shù)值模擬的理論預(yù)言。

之所以要從雙星公轉(zhuǎn)、中子星自轉(zhuǎn)、超新星爆發(fā)、黑洞的形成、碰撞和捕獲物質(zhì)等大質(zhì)量天體的激烈運動過程中尋找引力波的蛛絲馬跡，是因為引力波攜帶的能量實在太微弱。地球圍繞太陽運轉(zhuǎn)時，會發(fā)出引力波，“日-地”系統(tǒng)的引力波輻射損耗功率僅為200瓦。2015年探測到的引力波信號，振幅僅有10-21，也就是說，在LIGO中相距4千米的鏡子，其距離只變化了10-18米，是原子核尺度的一千分之一。如此微弱的距離變化，使用傳統(tǒng)的技術(shù)手段是根本無法測量出來的。

這次為發(fā)現(xiàn)引力波立下大功的LIGO，由位于美國路易斯安那州列文斯頓和華盛頓州漢福德的兩只引力波探測器構(gòu)成。這兩只探測器相隔3000千米。工程師采取了一系列技術(shù)手段來提高LIGO的精度，包括：高真空（激光臂安置于真空腔內(nèi)，氣壓僅為萬億分之一大氣壓）；高能穩(wěn)定的激光；全世界最好的鏡面（每入射300萬個光子，只有1個會被吸收）；最穩(wěn)定的振動隔離系統(tǒng)（反射鏡用鋼絲吊起以隔離震動）等。為確保4千米長激光真空管道的直線性，管道末端從地面被墊高近1米，以抵消地球表面曲率。為了排除外界干擾因素，只有當(dāng)兩只探測器同時檢測到相同的信號才有可能是引力波。所以，LIGO堪稱“世界上最精密的測量儀器”。

當(dāng)黑洞合并造成的一列線性偏振的引力波向探測器襲來時，時空會不斷壓縮—拉伸—壓縮—拉伸，如此循環(huán)往復(fù)。時空的伸縮導(dǎo)致LIGO的一條激光測量臂變長的同時，另一條臂長變短。當(dāng)兩臂長度不同時，兩束激光的相位不再同步，就產(chǎn)生了可以測量的干涉條紋。

2019年的一天，LIGO探測到了有史以來一次最強烈的引力波爆發(fā)……只持續(xù)了幾秒鐘……推斷出了這次引力波爆發(fā)的源頭——由中子星和黑洞組成的雙星系統(tǒng)……能找到的唯一解釋就是：引力波來自一個靠近土星的蟲洞，而引力波源在蟲洞的另一端。

——基普·索恩《星際穿越》劇本初稿

小貼士：科幻成真不易

無論是《三體》中的引力波天線，還是電影《星際穿越》中宇航員庫珀通過引力波穿越時空給女兒傳遞信息，引力波一直是科幻作品中出鏡不多但卻十分重要的角色。那么，引力波的發(fā)現(xiàn)能讓科幻作品的設(shè)想成真嗎？能否借助引力波實現(xiàn)星際通信、星際航行，甚至?xí)r空穿越呢？

參與了引力波探測工作的陳雁北教授認(rèn)為，引力波非常微弱，因此單憑人類的力量，很難發(fā)射可以被接收和探測到的引力波。也就是說，用引力波進(jìn)行星際通信在技術(shù)層面十分困難。從理論上講，有可能向一個正在合并的雙黑洞系統(tǒng)發(fā)射一個疊加的引力波，可望產(chǎn)生一種引力波放大效果，但實際上也不太可能實現(xiàn)。此外，由于引力波本身造成的時空彎曲是很小的，所以借助引力波穿越時空、回到過去并不現(xiàn)實。加州理工學(xué)院魏因施泰教授也認(rèn)為，從發(fā)現(xiàn)引力波到應(yīng)用引力波還很遙遠(yuǎn)。現(xiàn)在談“借助引力波時空旅行”之類的設(shè)想還為時過早，利用引力波的宇宙通信也只是一種微弱的可能。

遙控開關(guān)啟動了引力波武器。真沒想到，引力波武器還有這種說不出的能力。

——吳巖《引力的深淵》（1981）

從默片到有聲片

聽說達(dá)德琉斯就是在那個時候發(fā)明了引力測位儀。因為在太陽里，在電子層的混沌之中，無線電完全失效，而引力是不會變的，測位儀捕捉到引力波，就可以用它來進(jìn)行通信。

——[蘇]亨利克·阿爾托夫《阿克勒斯與達(dá)德琉斯》

雖然目前看不到實際用途，但引力波在科學(xué)上的作用難以估量。引力波可能作出的貢獻(xiàn)，不僅是為天文學(xué)家增添一個觀測窗口（如射電波段）那么簡單，它為我們增加了整個波譜，如同一系列的觀測窗口。沒有發(fā)現(xiàn)引力波之前，天文觀測仿佛觀看無聲電影。如今引力波把默片變成了有聲電影，能使我們感覺到更為豐富的宇宙活動，我們也能通過引力波“聽”到黑洞碰撞的巨響、中子星塌縮的猛沖聲。天文學(xué)將出現(xiàn)空前的變化。

在下一個十年，我們將看到LIGO探測技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，以及全球引力波探測器網(wǎng)絡(luò)的擴展。這種增強的全球網(wǎng)絡(luò)將顯著提高我們確定引力波源位置的能力，并能更準(zhǔn)確地估計引力波源的物理性質(zhì)。當(dāng)前，95%的宇宙是無法用傳統(tǒng)的天文學(xué)手段觀測到的。雖然引力波還無法探測到占據(jù)了大部分不可見宇宙的暗能量，但它可以幫助我們用前所未有的方式去巡查時空。隨著引力波觀測數(shù)據(jù)的積累，我們對一些與黑洞相關(guān)領(lǐng)域的認(rèn)識也會得到極大的改觀，比如恒星演化，甚至星系演化和宇宙演化等。

人類首次直接探測到引力波信號的2015年，恰逢愛因斯坦發(fā)表廣義相對論一百周年；公布這一探測結(jié)果的2016年，又是愛因斯坦根據(jù)廣義相對論推導(dǎo)出引力波存在一百周年。愛因斯坦的理論預(yù)測，引力波將以光速傳播，但目前的數(shù)據(jù)還不足以完全確認(rèn)引力波的速度是否為光速。未來還需檢驗引力波是否真的是以光速傳播。引力波的意義，不僅是驗證廣義相對論，更對天文探測起著無比重要的作用。“聆聽”引力波，將有助于我們探測宇宙中情況最為極端的角落——黑洞的視界、超新星的最深處、中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)——那些常規(guī)天文望遠(yuǎn)鏡完全無法接近的區(qū)域。可以想見，我們對宇宙的認(rèn)識，將因引力波的發(fā)現(xiàn)而再次刷新。

【責(zé)任編輯：楊楓】