百年引力波

明镜

今年，距离引力波概念的提出整整100年。在这100年里，被誉为“人类认知自然最伟大的成就”的广义相对论，一直在成长着。我们通过这个伟大的理论知道了时空的弯曲以及一些由时空弯曲可能产生的奇异事物，比如黑洞、引力波、奇点、虫洞甚至时间机器。在过去的某些时期，甚至现在，其中有些事物被不少物理学家视为洪水猛兽，对它们是否存在提出过强烈的怀疑。就连爱因斯坦本人直到逝世前都还在怀疑黑洞的存在。历史告诉我们，人类对时间、空间和时空弯曲所产生的事物的认知会发生革命。那么，作为广义相对论重要预言的引力波，在过去的整整一个世纪里究竟经历了怎样的故事呢？

不断被质疑的引力波

经历了一个月的理论修正后，在1915年11月25日，爱因斯坦向普鲁士科学院报告了他的广义相对论的最终形式，其中新的公式可以用来很好地解释水星近日点进动和光线的引力偏折，自此广义相对论最终被建立了起来。3天后，爱因斯坦无比快乐地给朋友索末菲写信说：“在过去的一个月里，我度过了一生中最兴奋、最艰苦但也是最成功的时光。”在之后的那一年里，处在兴奋中的爱因斯坦再接再厉，在引入线性、低速等近似之后，从广义相对论的场方程推导出了由源的质量四极矩随时间的变化引起的引力辐射项。并且，这种引力辐射携带能量。

这种后来被称为引力波的引力辐射项被提出后，引起了很多物理学家的关注。但是引力波到底是一种物理实在还是仅仅是数学上的形式，大家都不清楚。在这方面第一个发表文章表态的是爱丁顿爵士，1919年他在西非普林西比岛观测日全食，证实了广义相对论对光线偏折的预言。1922年，爱丁顿爵士发表文章表示：引力波的本质只是数学坐标的波动，并没有实际的物理意义。简单地说，引力波并不真实存在。在此之后，认为引力波不是物理实在的观点，在物理学界似乎占了上风。

1936年6月1日，美国物理学会《物理评论》编辑部收到一封“特别”的投稿。之所以说这个稿件特别，并不仅仅是因为其作者是大名鼎鼎的爱因斯坦和他的助手罗森，而且，这个稿件有一个很吸引人的题目：“引力波（到底）存在吗？”是的，你没有看错，在爱因斯坦提出引力波的20年后，他又写了这篇关于引力波的论文。文章中，爱因斯坦认为所谓引力波只是一种数学形式而已，这种波会因引力坍缩而不复存在。他推翻了自己1916年的结论，认为引力波并不是广义相对论的预言，也并不存在！

虽然此时的爱因斯坦已经名满天下，但是秉着严谨的科学精神，《物理评论》认为对于绝对权威爱因斯坦的稿件也要送审。一个多月后，审稿人霍华德·罗伯逊将审稿意见返回，写了满满10页的评论，认为爱因斯坦的稿件有严重问题，必须大量修改。

由于审稿人是匿名的，爱因斯坦并不知道审稿人是谁。虽然编辑部负责稿件处理的明尼苏达大学教授泰德把审稿意见转发给爱因斯坦的时候，十分客气地希望他可以注意一下其论文里可能的错误， 但是爱因斯坦还是被激怒了。 他在1936年7月27日很不客气地回了一封德文信，在这封堪称史上最牛的作者回信中，他直接拒绝了编辑：“ 我和罗森将稿件寄给你们发表， 并没有授权你在文章刊出之前给别的专家看。我也没有必要回答那位匿名专家的错误评论，我宁可在别处发表这篇论文。”因为此事件，爱因斯坦和《物理评论》结下梁子，从此之后再也没有给该期刊投过稿。因为爱因斯坦的名气，后来这篇文章还是一字不改地在《本富兰克林学院学报》上发表。

然而这戏剧性的事件并没有结束，在之后的两年中，爱因斯坦渐渐发现自己之前的文章里面还是有问题的。在他新的助手英费尔德和同事霍华德·罗伯逊的协助下，爱因斯坦最终改正了自己的错误，并在1936年11月13日，重新给《本富兰克林学院学报》编辑写信说，之前文章是有错误的，文章需要根本性的修改。他修改后的文章推翻了上篇文章的结论，认为引力波还是存在的。

细心的读者可能已经发现，那位匿名“勇敢拒绝”爱因斯坦论文的审稿人和后来默默帮助他改正错误的是同一个人——罗伯逊教授。事实说明，科学巨人也有犯错的时候，同样也需要别人的帮助。

事情发展到这里，似乎引力波存在的观点又稍稍占了一点上风，毕竟爱因斯坦自己也是这么认为的。不过他还是认为，引力波虽然真实存在，但是由于其过于微弱，我们不能探测到。直到爱因斯坦1955年逝世，对于引力波到底是不是真实存在，在物理学界还是有争论，这个问题也还是没有被彻底解决。

两年后的1957年，在北加州的教堂山举行了一场以广义相对论为主题的会议。在会议后期，物理学家理查德·费曼提出了一个“黏珠”思想实验。费曼的论证是这样的：有两颗珠子穿在一根柱子上，并且可以自由移动，垂直于柱子方向如果有引力波经过，将会产生相对于柱子中心的潮汐力。珠子在潮汐力的作用下会相对柱子运动，如果珠子和柱子间有黏性（有摩擦），在运动时候就会产生热。热就是能量，能量不可能凭空产生，它的源头只能是引力波，所以引力波不是一个数学游戏，它是携带能量的，是真实存在的！

“黏珠”思想实验提出之后，物理界终于普遍达成共识，认为引力波确实是物理实在。那么接下来的问题是，我们如何才能找到它呢？

实验尝试和间接证据

引力波虽然携带物理能量，但是它的物理效应真的微乎其微。如图所示，引力波穿过圆所在平面的时候，该圆会因为时空弯曲而发生畸变。圆内空间将随引力波的频率在一个方向上被拉伸，在与其垂直的方向相应地被压缩，这个压缩或者拉伸量和截面圆直径之比被称为引力波的强度h。为了便于解释引力波的物理效应，图中所显示的应变h大约是0.5。也就是说，在h是0.5的时候，你才可以看到这么明显的空间畸变效应。但是，现实中的引力波强度远远小于0.5。就算是很强的天体物理引力波源所释放的引力波，其强度到达地球时也只有10-21。这是个什么概念？打个比方：这个强度的引力波在整个地球这么大的尺度上产生的空间畸变不超过10-14米，刚好比质子大10倍；或者说，在太阳到最近恒星比邻星（4.22光年）的距离上，产生小于人类头发丝宽度的空间畸变。可以想见，探测引力波是多么的困难！

尽管如此，自教堂山会议之后的60年里，有许多物理学家和天文学家为证明引力波的存在做出了大量努力。其中最著名的要数引力波存在的间接实验证据——脉冲双星 PSRB1913+16。1974年，美国物理学家约瑟夫·泰勒和罗素·赫尔斯利用在波多黎各的射电望远镜，发现了由两颗质量大致与太阳相当的中子星组成的相互旋绕的双星系统。非常幸运，由于两颗中子星的其中一颗是脉冲星，利用它的精确的周期性射电脉冲信号，人们可以无比精准地知道两颗致密星体在绕其质心公转时它们轨道的长半轴以及周期。根据广义相对论，当两个致密星体近距离彼此绕旋时，该体系会产生引力辐射。辐射出的引力波带走能量，所以系统总能量会越来越少，轨道半径和周期也会变短。

泰勒和他的同行在之后的几十年时间里对PSRB1913+16做了持续观测，观测结果令人无比振奋！双星系统无比精确地按广义相对论所预测的那样因为引力辐射而慢慢靠近：周期每年减少76.5微秒，半长轴每年缩短3.5米。广义相对论甚至还可以预言这个双星系统将在3亿年后合并。这是人类第一次得到引力波存在的间接证据，是对广义相对论引力理论的一项重要验证。泰勒和赫尔斯因为这个发现，被授予1993年诺贝尔物理学奖。

在实验方面，第一个对直接探测引力波做伟大尝试的人是美国马里兰大学的物理学家约瑟夫·韦伯。教堂山会议之后的两三年里，韦伯认为通过实验手段探测引力波并不是没有可能，他把自己的想法付诸于行动，全身心投入在引力波探测方案的设计中。最终，韦伯选择了一根长2米、直径1米、重约1吨的圆柱形铝棒，其侧面指向引力波到来的方向。该类型探测器，被业内称为共振棒探测器。

当引力波到来时，会交错挤压和拉伸铝棒两端，当引力波频率和铝棒设计频率一致时，铝棒会发生共振。贴在铝棒表面的晶片会产生相应的电压信号。但是，共振棒探测器有一个严重的局限性：引力波会产生时空畸变，探测器做得越长，引力波在该长度上的作用产生的变化量越大。韦伯的共振棒探测器只有2米，强度为10-21的引力波在这个长度上的应变量（2×10-21米）实在太小，对20世纪五六十年代的物理学家来说，探测如此之小的长度变化是几乎不可能的。

虽然共振棒探测器没能最后找到引力波，但是韦伯开创了引力波实验科学的先河。在他之后，很多年轻又富有才华的物理学家投身于引力波实验科学中，韦伯再也不是在引力波实验物理学中孤军奋战的人了。

激光引力波探测器

后来的激光干涉引力波天文台（LIGO）的主要创始人美国物理学家索恩，在1976年的时候对共振棒探测器还抱有信心，他和一些物理学家深信引力波的探测可能会变革我们对宇宙的认识。在1976年11月的一个晚上，索恩独自一人漫步在美国小城帕萨迪纳的街头，内心充满了热情和希望。忽然一个念头闪过他的心头：应该建议加州理工学院建设一个引力波探测计划。之后的几个月里，经过一系列风险评估和成果分析，他成功说服了加州理工的物理学和天文学系组建一个团队来建造引力波探测器。但是学校领导要求索恩必须把这个项目做大做强，并且找到一位非常优秀的实验物理学家来担任这个项目的领导。经多方推荐，最后格拉斯哥大学的罗纳德·德雷维尔成了索恩的合作伙伴。

其实早在韦伯设计建造共振棒的同时期，就有部分物理学家认识到激光干涉仪引力波探测方案的优越性。到了20世纪70年代，加州理工学院的的雷纳·韦斯以及马里布休斯实验室的罗伯特·佛瓦德，分别建造了小型的引力波激光干涉仪。1986年，在美国国家自然科学基金会（NSF）的建议下，这些才华横溢的物理学家和他们的同事们被一起分成了两个组。一个是以索恩、佛瓦德、德雷维尔为领导的加州理工小组，一个是以韦斯为领导的麻省理工小组。两个小组分别负责建造并启用全国性的大型科学装置——LIGO。LIGO有两个探测器，分别是位于美国路易斯安那州利文斯顿臂长为4千米的LIGO（L1）和位于美国华盛顿州汉福德臂长为4千米的LIGO（H1）。

到了20世纪 90 年代，世界各地的其他一些大型激光干涉仪引力波探测器也开始筹建，引力波探测黄金时代就此拉开了序幕。比如：位于意大利比萨附近，臂长为 3千米的VIRGO；德国汉诺威臂长为600米的GEO；日本东京国家天文台臂长为300米的TAMA300。这些探测器在2002～2011年期间共同进行观测，但并未探测到引力波。在经历重大改造升级之后，两个高新LIGO探测器于2015年9月18日开始作为灵敏度大幅提升的高新探测器网络中的先行者进行观测，而高新VIRGO也将于2016年年底开始运行。此外，欧洲的空间引力波项目eLISA和日本的地下干涉仪KAGRA 的研发与建设也在紧锣密鼓地进行。

在过去的十几年时间里，位于世界各地的引力波探测器就这么一直默默聆听着来自于宇宙深处的呢喃。它们像守望者那样，静静守候着引力波的到来。虽然引力波是那么微弱，微弱到这些被称为人类建造的有史以来最灵敏的探测器都无能无力，但是我们依然抱有希望，希望人类足够幸运，会有一阵强大到可以触发探测器的引力波到来。

重大发现到来时

德国时间2015年9月14日中午11点50分45秒，就在高新LIGO正式启动前4天，有一阵来自于遥远宇宙深处的引力波到达了地球。这阵引力波在LIGO的两个探测器上产生了大约4×10-18米的空间畸变。3分钟之后，这个触发事件被低延迟搜索方法作为引力波的候选事件汇报出来，并以邮件形式发给了位于德国汉诺威的马克斯普朗克引力物理研究所的一位博士后马克那里。这位来自意大利的博士后是负责整理来自LIGO的原始数据的，33岁的他在科研之余，已经出版了两本科幻小说，同时他也弹得一手好钢琴。就在那一刻，马克见证了人类历史。

马克在看到该触发事件汇报结果的第一眼，他虽然很震惊，但是却一点都不相信这个是一个真实的信号。因为理由很简单，这个结果好到无法让人相信。他的第一反应是认为，这个信号可能是人工注入的假信号。那么，人工注入的假信号又是什么？

原来，为了检验引力波信号分析科学家的分析能力， LIGO科学合作组织（LSC）内部有一个被称为“盲注小组”的神秘团队，虽然没人知道他们是谁，但是他们会经常在LIGO原始数据中注入一些假信号，以检验团队中数据分析专家是否能够把这些信号找出来。这种“实战演习 ”确实锻炼了很多数据分析专家的工作能力。之前经历过无数次“演习”的数据分析专家看到类似的疑似信号后，自然而然的反应就是：“嗯？又是人工注入的吧！”所以当时马克看到这个信号后，第一反应是对信号保持怀疑。不过，他还是略带兴奋地来到了楼下另一位博士后安德鲁的办公室，马克问的第一句话是：“安德鲁，你知道现在LIGO的数据里面有人工注入信号吗？”

安德鲁表示自己并不知情，并开始查看数据并做了简单的测试和分析。在确定数据没有任何问题后，他们决定把这个消息告诉研究所的其他同事们。而此时的美国正处于午夜，那边的同事还在美梦之中，于是他们决定再等几个小时之后再通知美国LIGO方面的同事。大约德国时间下午三四点，安德鲁的电话打到了位于路易斯安那州利文斯顿的LIGO控制中心，询问了情况。那边的同事告诉他们，现在的高新LIGO还在正式运行前的最后准备阶段，应该还没有开始注入人工信号！安德鲁在后来的媒体采访中表示：“听到美国那边同事的回复之后，我突然意识到这有可能是人类看到的第一个引力波事件，我开始颤抖了。”

在接下来的几天时间里，这个消息在LSC里一共大约1000名科研人员中传播开来。为了科学的严谨和对公众的负责，LSC决定先暂时对这个消息严格保密，不对外公布。在经过彻底的检查和跟进分析之后，如果确认这是一次真实的引力波探测事件，再向全世界宣布这个震撼人心的消息。

经过后来几个月的数据分析工作，LSC最终确认，这是一次置信度高达5.1倍标准差的引力波事件（如此高的置信度意味着20万年才可能犯一次错误），根据LIGO的数据，该引力波事件发生于距离地球13亿光年之外的一个遥远星系中。两个分别为36和29太阳质量的黑洞，并合为62太阳质量黑洞，双黑洞并合最后时刻所辐射的引力波的峰值强度等于整个可观测宇宙的电磁辐射强度的50倍。在2016年的2月11日，LSC向全人类宣布了这一消息！

爱因斯坦的广义相对论自从100年前提出以来，历经了重重考验，从对水星近日点进动的解释，到1919年爱丁顿对日全食时太阳附近光线偏折的研究，再到对引力红移的验证，每一次检验，相对论都从容应对。作为广义相对论预言的引力波，在如幽灵般虚无缥缈了一个世纪后，终于被我们发现！

探测引力波的消息发布后，仿佛一夜之间，“引力波”成为了世界各地人们谈论的热点话题。笔者作为LSC中少数几个华人科研工作者之一，也收到了很多中国媒体的采访和约稿。人们问的最多的问题就是探测到引力波有什么意义，意味着什么？其实，我们是在找另一种光，一旦找到，意味着人类从此有了第六感，就像有了超能力，用一双天眼饱览神秘宇宙中无尽的奥妙。现在，我们，找到了！

【责任编辑】张小萌