百年引力波的前世今生

霍光

1916年，德国《物理学纪事》发表了一篇论文，这给此后100年的时空带来了阵阵涟漪。论文的作者是阿尔伯特·爱因斯坦，题目是《广义相对论基础》。

100年之后，美国东部时间2016年2月11日，美国国家科学基金会（NSF）与来自加州理工学院、麻省理工学院以及科学合作组织“激光干涉引力波天文台”（LIGO）的科学家共同宣布：LIGO于去年9月14日首次探测到引力波，证实了爱因斯坦100年前所做的预测，弥补了广义相对论实验验证中最后一块缺失的拼图。

姗姗来迟的引力波是什么？

广义相对论是爱因斯坦最引以为傲的成就之一。有一种说法是，爱因斯坦曾经这样说过：“如果我不发现狭义相对论，5年之内就会有人发现；但如果我不发现广义相对论，50年之内都不会有人发现。”

如今，引力波被发现，再次证明了广义相对论的重要性。那么，引力波到底是什么？为什么探测到它需要百年努力？

事实上，广义相对论的很多推论是人们的直觉无法理解的。其中一项就是，广义相对论中，引力被归咎于时空的弯曲。它的意思是，我们平时看到的空间貌似是平直的，但真实的情况中，却是像哈哈镜里一样扭曲的。这种扭曲是物质造成的，质量越大，扭曲就越大。不过，身处时空当中的观测者会随着时空一起扭曲，同时扭曲程度也太小，因而人类无法直观感觉到这种扭曲。但我们看到的平面，并不一定是物理意义上的“平面”。

我们可以把宇宙想象成一张蹦床，如果没有任何扰动，它是平坦的。但有质量的物体出现时，比如一个鸡蛋，来游乐场的小孩子，或者是地球這样的庞然大物，它就会变得弯曲。广义相对论提出，引力的本质，正是这种弯曲所带来的。

如果只是弯曲还好。但如果这个大质量物体发生变化——鸡蛋被吃了，小孩子蹦走了，或者地球爆炸了——蹦床就会开始震动，这种震动就是引力波。当然，跟着一起震动的我们也感觉不到它在震动。

事实上，上世纪60年代，马里兰大学的物理学家韦伯（JosephWeber）曾宣称他探测到了引力波，但因后来的重复实验一无所获，这一发现并未得到认可。从那时起，对引力波的探索从未停止过。

2016年，LIGO的发现，改变了百年来引力波探索一无所获的历史。难怪物理学家要为之痛哭流涕。

执着的美国高校和慷慨的NSF

“它是辛苦的、严谨的和缓慢的，又是震撼性的、革命性的和催化性的。”

在引力波发现后，麻省理工学院校长L.Rafael Reif这样评价基础科学研究的价值。事实也是如此，引力波从被预言到被发现，花去了100年时间，单是LIGO的科研人员就用去了三十多年才探测到了短短0.2秒的信号。

LIGO的原理是什么？假设我们有两个短跑运动员，他们在任何情况下跑步速度都一样，那么，如果跑道因为引力波扰动，长度发生了变化——就像蹦床表面会因受力，在一个方向上拉伸一样，他们从两条原本长度相同的跑道上跑回来的时间就会发生些微的差异。我们就知道，空间确实在震动。在LIGO中，科学家用同源的激光来充当短跑运动员的角色，以试图发现不同方向上空间的变化。

然而，要观测的空间的变化并不是那么简单，震动的幅度太小，同时还受到外界环境的干扰，使得观测到有价值的数据非常困难。LIGO建成后，经过数次升级，不断提升灵敏度。在LIGO最终发表的这次观测结果中，在十几亿光年外两个分别为29倍太阳质量和36倍太阳质量的超恒星级黑洞合并，仅仅带来了0.2秒的信号。而LIGO位于路易斯安那州的列文斯顿和华盛顿州的汉福德两地同时观测到这一信号后，经过反复验证，在时隔4个月后，才发表这一结果。

对物理学家来说，这0.2秒的轻轻的一震，比《美人鱼》、《星球大战》乃至人类史上所有的电影加起来都好看，因为它蕴含的剧情，是宇宙诞生的画面。我们从小都被告知一个最著名的猜想——宇宙是在一场爆炸中诞生的。这意味着，在时空的开始时，这张大蹦床有一次最剧烈的震动。引力波就能让我们还原这个震动——它是否存在，有多大规模，诸如此类。

不过，目前看来，引力波能够真正发挥作用的日子还很远。可想而知，未来一段时间内，全球科学界在引力波领域的科研力度和投资力度都有望增加，这也许会让引力波与普通人的生活更快地联系在一起。