举世瞩目的引力波

泓宇

“引力波具有很强的穿透能力，因此它们可使我们直接观测到超新星爆炸、伽马射线暴和其它大量宇宙隐藏的秘密信息。”

——德国科学家伯纳德-舒茨

2016年2月12日，全世界的物理学界都沸腾了——已经在百年前就有所预言的引力波，终于被探测到了。据媒体报道，一位物理学家如此形容自己的心情：“堂堂男子汉很少哭，当时心中忽然暖流涌动，但还是强忍住没哭。那是一种强烈的感动，感动到想哭的感觉。整个新闻发布会上，我一直强忍着。”

作为一个普通大众，突然间“引力波”也在我们的各种社交媒体上刷屏了，但是却很少有人知道，引力波到底是什么？为什么探测到它需要百年努力？它又能给世界带来什么呢？

发现引力波的历史过程

引力波是爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动，是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递的一种方式。

1916年爱因斯坦预测了引力波的存在。当时的理论认为，引力波的讨论与坐标的选取有关，因此引力波究竟是引力场的性质或虚假坐标效应，还是从发射场中外溢的能量一直未能澄清。到20世纪50年代，与坐标选取无关的引力辐射理论出现并计算出爱因斯坦真空场方程的严格波动解，并预测粒子在引力波的作用下的运动。

20世纪60年代，美国的物理学家韦伯首先提出了一种共振型引力波探测器。该探测器由多层铝筒构成，直径1米，长2米，质量约1000千克，用细丝悬挂起来。当引力波经过圆柱时，圆柱会发生共振，进而可以通过安装在圆柱周围的压电传感器检测到。韦伯曾经在相距1000千米的两个地方同时放置了相同的探测器，只有两个探测器同时检测到相同的信号才被记录下来。1968年，韦伯宣称他探测到了引力波，立刻引起了学界的轰动，但是后来的重复实验却都一无所获。

2016年2月11日，美国科研人员宣布他们利用激光干涉引力波天文台（LIGO）“探测到引力波的存在”。当两个黑洞于约13亿年前碰撞，两个巨大质量结合所传送出的扰动，于2015年9月14日抵达地球并被检测到。这最终证实了爱因斯坦100年前所做的预测。爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”被填补了。

让我们来通俗科普一下

听了上述充满“科学”色彩的讲述，虽然专业、严谨，但是恐怕有些读者会说，太深奥了，我看不太懂！所以经过专业的科普，下面我们再给大家通俗地科普一下。

首先，问一个问题，大家是否还记得引力是什么吗？

很多人对引力的课本记忆还停留在“重力”，重复了一千遍的“一颗苹果砸到牛顿脑袋上”的故事。普通人对引力的理解，应该是“两个物体天生就有互相吸引靠近的力，叫做引力”。这是一个必须被纠正的常识，引力并不是一种“力”，它是一种属性，我们生存的宇宙空间（严格来说是时空，时间空间互相影响，不可分割）的一种几何特性。

很多人会认为空间是独立于任何东西存在的。就像一个空旷的舞台，没人的时候存在，有人的时候也存在，台上会有各种表演，或者堆满了各式道具，而无论上面发生了什么，都是表演者和道具的事，舞台不受影响。由此展开去，大家似乎也理所应当地认为，空间是我们栖身的地方，无论在地球还是在宇宙，“舞台”本身是永恒的独立存在。但是后来，科学家们发现“舞台”并不是不受任何影响，“舞台”会因有质量物体的存在而“弯曲”。

空间会弯曲，而不是平整的？空间可以被“掰弯”，这听起来有点不可思议，有人不禁要说证据何在呢？

日食可以证明光线“可弯”

证据之一就是众所周知的日食现象。大家都知道理论上光线是沿直线传播的，但实际中有时候看到光线也会发生“弯曲”，其实并不是光本身发生了弯曲，而是空间发生了弯曲，即光走的路是“弯”的。

牛顿力学认为月球绕地球运转是因为月球受到地球引力的吸引，但广义相对论则认为是地球的质量扭曲了附近的时空，月球在弯曲时空以最自然的方式运行，走出了一条绕地球运转的曲线。就如火车沿铁轨运行一样，当铁轨变弯曲后，火车自然沿弯曲的铁轨运行。

1911年爱因斯坦预言，当恒星的光非常接近太阳时，太阳的引力将会有一个小小的偏离，并第一次提出这种恒星光线的弯曲是可以测量的。

1915年爱因斯坦的广义相对论发表，并计算出星光在穿过太阳附近时所产生的偏折角度为1.75角秒。光线在引力场中的弯曲，广义相对论计算的结果比牛顿理论正好大了1倍，爱丁顿和戴森的观测队利用1919年5月29日的日全食进行观测的结果，证实了广义相对论是正确的。

时空震荡引力波

说完了引力，再来说说引力波。引力波不是一般意义上的“波”，而是空间持续的扭曲震荡。空间可以被扭曲，因为有质量物体的存在。那超大质量物体，可以把空间扭曲到什么程度？

黑洞这种理论预言存在的天体，可以把空间扭曲成一个“无底洞”，任何东西只要“掉进去”就再也出不来。如果两个黑洞，互相旋转，持续不断扭曲周围的时空，就可以引发时空震荡。而时空震荡，就是新闻里说的引力波。

一句话解释，引力是空间“被掰弯”的程度，数学定义叫曲率，而弯曲的程度受物质质量的影响，两个超大质量的物体互相旋转，周围被弯曲的空间就会发生持续的拉伸和收缩震荡。

这次探测到的引力波是由13亿光年之外的两颗黑洞在合并的最后阶段产生的。两颗黑洞的初始质量分别为29颗太阳和36颗太阳，合并成了一颗62倍太阳质量高速旋转的黑洞，亏损的质量以强大的震荡，也就是引力波的形式释放到宇宙空间，经过13亿年的漫长旅行，终于抵达了地球，并被美国的LIGO探测到。

LIGO在向爱因斯坦致敬？

LIGO的全名叫做“激光干涉引力波天文台”，由两个探测器构成，一个在华盛顿州的汉福特，另一个在路易斯安那州的列文斯顿。这两个探测器由两个长达4千米的光学腔，或称悬臂构成，排成L型。如果没有引力波的影响，激光在两个光学悬臂中到达探测器时保持严格的180°相位差，这时没有信号产生。垂直于探测器平面传播的引力波会破坏这一相消干涉。在前一个半周期内，引力波会缩短其中一个光学悬臂而将另一个加长；在后半个周期内，这个过程被反转过来。悬臂长度的变化会改变两束激光的相位差，破坏相消干涉，使光探测器检验出信号。LIGO的研究人员可以利用这样两种干涉来排除其他干扰信号（例如地表震动带来的波），这种干扰信号一般不能同时作用于两个探测器。

LIGO实验系统的灵敏度非常优异，以至于精度可以达到两个光学悬臂长度相差一个原子核量级都能够感知。对LIGO实验组来说，最大的挑战是探测器噪音，主要来自于地面震动波，热运动以及光子入射噪音。这些扰动可以轻易掩盖我们想要寻找的引力波微弱信号。2015年，LIGO完成了升级，针对频率在100-300 赫兹的波，优化了3-5个参数标准，而针对60赫兹以下的波，优化了超过10个参数标准。这些改进使得探测器更容易分别不同的波动来源，这对寻找引力波尤其关键。

2015年9月14日，改进版LIGO刚刚工作两天，实验人员就发现了用肉眼都可以分辨的强烈信号。信号中最强烈的部分持续了约0.2秒，在两个探测器中均发现了此信号，信号噪声比为24。研究人员将这世界上第一个引力波信号很恰当的称作GW150914（Gravitational Wave+日期），此时距离爱因斯坦广义相对论发现100周年纪念日仅仅不到两个月。

最后让我们再引用两位科学家的评价，让大家深刻理解一下发现引力波的重大意义所在——

“通过这项发现，我们人类开启了一场波澜壮阔的新旅程：一场对于探索宇宙那弯曲的一面（从弯曲时空而产生的事物和现象）的旅程。黑洞的碰撞和引力波的观测正是这个旅程中第一个完美的范例。”——索恩（Kip Thorne）

“引力波的直接探测实现了50年前就设定好了的伟大目标：直接探测难以捕捉的事物，更好地理解宇宙，以及，在爱因斯坦广义相对论100周年之际完美地续写爱因斯坦的传奇。” ——加州理工学院，LIGO天文台的执行官莱兹（David H. Reitze）