引力波：广义相对论的“最后一块拼图”

陈仁政

当地时间2017年10月3日11时50分，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，2017年诺贝尔物理学奖授予“为创建激光干涉引力波天文台（LIGO）和发现引力波做出贡献”的3位美国科学家：雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩。

引力波缘何而起？探索中有何曲折？三人各自做出了怎样的贡献？发现引力波有何重大意义？这一系列的问题，将在以下回答。

“吹皱一池春水”

——缘起爱因斯坦的引力波

1916年3月20日，愛因斯坦完成总结性论文《广义相对论的基础》，以单行本在《物理年鉴》上正式发表，其中提出了引力波的概念，并预言存在引力波。

什么是引力波呢？

在爱因斯坦看来，宇宙的时空是四维的弯曲时空：空间（三维）加上不可或缺的时间（一维）的一个整体。假设水是爱因斯坦时空的话，那么因为水受到“干扰”（例如风吹、石头丢进水中或鱼冒出水面）出现的涟漪——水波就是引力波！引力波的本质是“时空的涟漪”通过波的形式从辐射源向外传播并传递能量，形成引力场。所以，引力波是时空的波动——千万不要认为它是“引力引起的波”！与通常的水波、声波、光波不同的是，引力波在宇宙真空中以光速传播（这一点与光波相同），不会受到任何阻挡；物质对它的吸收效率极低。在基于绝对时空观而假设“物质相互作用的传播速度无限大”的牛顿力学中，不可能存在引力波。

引力波源于“时空异动”——相当于上述水受到“干扰”。天体被黑洞吞没、天体合并、天体的加速运动、新天体的诞生等，都是“时空异动”的例子。

但是，爱因斯坦在提出引力波之后20年，却认为引力波并不存在，还为此专门写了论文。为什么他要打“退堂鼓”呢？在这20年间，他的广义相对论中的许多预言都被证实了啊！

原来，引力波实在太难探测到了！太难探测的第一个主要原因是它极其微弱。例如，地球围绕太阳以大约30千米/秒的平均速度运行，发出的引力波功率仅约200瓦（小于一般家用电饭煲的功率）。功率的微弱，就导致振幅微小。振幅微小到探测精度要达到10-21米，即要能够在1000米的距离上感知10-18米（相当于质子直径的大约千分之一）的变化！第二个主要原因是，物质对它的吸收效率极低，难以被探测仪器感知。所以，在这20年间，没有科学家探测到引力波；更糟糕的是，根本没有人提出或找到探测的方法，更说不上制造探测设备。在这个背景之下，“胆大包天”的爱因斯坦也只好“心细如发”地“知难而退”了。

爱因斯坦的“退堂鼓”从另一个角度表明，相对论实在太过于庞大和超前了，以致他本人都“没有了自信”。爱因斯坦一生犯下的大大小小错误共有20多个，这个“退堂鼓”就是其中之一。

从“隔岸观‘波”到“眼见为实”

——探测引力波的曲折历程

然而，爱因斯坦的“退堂鼓”并没有阻挡探索者们执着的脚步——为了探测到引力波，科学家们绞尽脑汁、挖空心思，百折不回、万难不屈。

首先是间接证明引力波的存在。显然，宇宙中大质量天体的加速、碰撞与合并等事件，才可以形成便于探测的强大引力波。但是，能产生这种较强引力波的波源距离地球都十分遥远，传播到地球时就变得非常微弱。所以，即使是间接探测也并非易事。不过，在1974年，美国天体物理学家小约瑟夫·泰勒与他的学生赫尔斯，对一颗编号为PSR B1913+16的双星系统（由一颗脉冲星及其伴星组成，两者都是中子星）的轨道进行长时间观测之后，发现它会以引力波的形式损失能量，轨道周期每年缩短76.5微秒，轨道半长轴每年减少3.5米，预计大约经过3亿年后发生合并。这些观测值与根据广义相对论中引力波预言的数值符合得非常好。这就间接证明了引力波的存在，他俩也因此分享1993年的诺贝尔物理学奖。

然而，这种“隔岸观‘波”式的间接证明不能让科学家满意，他们要独辟“眼见为实”或“亲耳聆听”的蹊径。

“眼见为实”的蹊径就是直接探测到引力波。20世纪60年代，美国马里兰大学物理学家韦伯首先开发出了一种共振型引力波探测器。它由多层铝筒构成，外层直径1米、长2米，质量约1吨，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。他曾经在相距1000千米的两个地方同时放置了多台相同的探测器，但只有两台同时检测到的相同信号才被记录下来。韦伯声称，他于1968年12月30日到次年3月21日的81天观测中，收到了两次引力波信号，立刻引起了科学界的轰动。但是，后来的重复实验都一无所获，他的结果没有被学术界接受。

韦伯的观测虽然无果而终，但却开辟了一条直接探测引力波的道路。怪不得在美国国家科学基金会（NSF）宣布直接探测到引力波时，索恩高度评价他为“这一领域真正的父辈先驱”。此时，正值韦伯初次用实验直接探测引力波50周年。

时间流逝到20世纪70年代时，韦斯和索恩都意识到并共同探讨过用激光干涉方法探测引力波的可能性，但直到90年代，这种探测所需的高灵敏度的技术条件才逐渐趋于成熟。1991年，麻省理工学院与加州理工学院在NSF的资助下，开始联合建设LIGO。酷似圆规的LIGO的主要部分是两个互相垂直的干涉臂，臂长都是4000米。在两臂交会处，从激光的光源发出的光束被一分为二，分别进入互相垂直并保持超真空状态的两个空心圆柱体内，然后被终端的镜面反射回原出发点，并在那里发生干涉。如果有引力波通过，就会引起时空变形：一臂光束的长度将略为变长，而另一臂的长度则略为缩短，这样就会造成光程差的变化，并因此使激光干涉条纹发生相应的变化。两台孪生引力波探测器，分别放在华盛顿州的汉福德市和相距约为3003千米之遥的路易斯安那州利文斯顿市。只有当这两个探测器同时检测到相同的信号，才有可能是引力波。LIGO于1999年初步建成，2002年开始运行。两次重大升级改造之后的“先进LIGO”，灵敏度提高了10倍。

2016年2月11日当地时间10时30分（北京时间23时30分），NSF召集来自加州理工学院、麻省理工学院以及LIGO科学合作组织的科学家在华盛顿特区国家媒体中心，由LIGO发言人、路易斯安那州立大学物理学家冈萨雷斯宣布：位于德国汉诺威马普学会引力物理研究所的LIGO在2015年9月14日17时50分45秒（北京时间），首次直接探测到了引力波信号（代号GW 150914）！GW 150914来自13亿光年之遥的质量分别为36M⊙（M⊙指“太阳质量”，1M⊙=1个太阳的总质量≈1.989×1030千克）和29M⊙的两个黑洞合并末期发出的引力波；两者在不到1秒的时间内合并后，成为质量为62 M⊙的一個黑洞（质量“损失”了3 M⊙），在合并的最后20毫秒里以强大的引力波形式把能量（其峰值能量约3.6×1049瓦，比整个可见宇宙释放出的能量高出约50倍）释放到宇宙空间，经过13亿年的日夜兼程抵达地球。这一引力波信号的初始频率为35赫兹，紧接着迅速提高到了250赫兹，最后变得无序而消失，整个过程仅持续了约0.25秒。美国的LIGO也探测到了GW 150914：位于利文斯顿市的探测器比位于汉福德市的探测器早探测到7毫秒，这个时间差表明引力波从南部天区传来。这也是人类首次直接“看”到双黑洞并合。同年12月26日，LIGO又再次直接探测到另一个引力波信号（代号GW 151226）。

正是：“众里寻‘波千百度，那‘波却在灯火阑珊处。”

从“八仙过海”到“千军万马”

——三位得奖者的贡献

韦斯出生在德国柏林，是一位对引力物理学和天体物理学做出过重要贡献的美国物理学家、麻省理工学院物理学教授、激光干涉引力波探测器（LIGO的核心设备）的主要发明者，也是LIGO的最早提出者。索恩出生在美国犹他州的洛根，也是一位对引力物理学和天体物理学做出过重要贡献的美国理论物理学家、加州理工学院教授。如前所述，他俩率先讨论了用激光干涉方法探测引力波的可能性。于是，他俩就成了LIGO的联合创始人。不过，LIGO的联合创始人是三位。那么，第三位是谁呢？

第三位是德雷弗——一位出生在英国的实验物理学家、加州理工学院教授。那德雷弗为什么在2017年的诺贝尔物理学奖中“名落孙山”呢？原来，他于2017年3月7日就在苏格兰首府爱丁堡辞世了——从1974年开始，诺贝尔奖原则上在生前提名，不颁发给逝者（从1974年迄今唯一的例外是：2011年诺贝尔生理学或医学奖的三位得主之一的斯坦曼——1943年出生在加拿大的生物学家，他在诺贝尔奖评委会确定他获奖之后、在当地时间2011年10月3日宣布获奖之前3天的9月30日辞世）。

德雷弗的“早逝”（其实活了85周岁），是诺贝尔奖历史上罕见的一场“悲喜剧”。原来，在前述NSF宣布成功直接探测到引力波之时，当年诺贝尔奖的提名已经截止了10天。然而，就是这区区10天，就酿成了他不可能被授奖的“悲剧”！正是：“出师‘已捷身先死，长使英雄泪满襟。”所幸的是，当时已深受痴呆症之困的他，仍能理解引力波探测成功这一消息，并为之开心不已。不过，他的“悲剧”倒是诺贝尔奖评委会的“喜剧”——某一项诺贝尔奖在某一年最多只能颁发给三人。如果他还活着，评委会就会面临在LIGO的“三巨头”与巴里什这四人之中“四选三”的尴尬。随着他的辞世，这道“四选三难题”也迎刃而解。

诺贝尔奖评委会的“喜剧”还有另一层意思。如果没有上述“截止了10天”，而是在2016年就给这项成果匆忙颁奖，就有“成果不实”的风险，因为历史对声称“发现”引力波的研究者并不“仁慈”。事实之一是，就在2015年初，一支国际团队不得不撤回了南极一架望远镜发现引力波间接信号的声明。在诺贝尔奖历史上，这种风险并不鲜见。例如，瑞士生理学家赫斯和葡萄牙精神病学家莫尼兹因“发现脑白质切断术对某些精神疾病的治疗价值”，共享1949年的诺贝尔生理学或医学奖。然而，他俩的这种治疗方法，却让许多病人受害，1960年被普遍废弃。探测到引力波的成果“推迟”了一年颁奖，给了反复验证这项成果的时间，减小了“成果不实”的风险。事实上，在前述两次直接探测到之后，LIGO 又两次直接探测到：2017年1月4日（引力波代号GW 170104）与8月14日（引力波代号GW 170814）；其中后面的那一次，就是在2017年3月7日德雷弗辞世之后。

多次探测是必须的——可重复性是科学发现的必要条件。上述四次中的最后那一次来自两个不同的团队（这比前三次都是LIGO一个团队的探测更有价值）：前述有两台孪生引力波探测器的汉福德市和利文斯顿市的LIGO，有一台引力波探测器的欧洲“处女座”天文台（即位于意大利的Virgo引力波天文台，LIGO的合作机构）。这次探测到的GW 170814，由18亿光年外的两颗黑洞产生。它俩的初始质量分别大约是30.5M⊙和25.3 M⊙，两者合并成了一颗质量为53.2M⊙的黑洞，质量“亏损”了2.6M⊙。位于利文斯顿市的探测器比位于汉福德市和“处女座”的探测器分别早探测到6毫秒与12毫秒。

那么，并不是LIGO创始人的巴里什又凭什么得奖呢？巴里什出生在美国内布拉斯加州奥马哈市，是一个实验物理学家、加州理工学院教授。虽然他不是LIGO的创始人，但他是在LIGO进程中力挽狂澜的不可或缺的领导者。原来，从1994年开始，巴里什担任了LIGO的领导人。1992年，德雷弗因为与NSF指派并得到美国国会信任的LIGO负责人、曾任加州理工学院教务长的沃格特不睦被“扫地出门”之后，LIGO成了一潭死水。巴里什临危受命，用务实而严谨的管理能力争取到了经费，建立了成熟的科研体系，并把起初仅40人的研究小组发展成了有上千人参与的大型国际合作项目——“LIGO科学大联盟”，从而得到了来自世界各国不计其数的专业技术支持……

由此可见，为直接发现引力波做出贡献的，远不止2017年的诺贝尔物理学奖得主。包括中国科学家（其成果是：成功获得“引力场以光速传播”的第一个观测证据）在内的近20个国家的1000多位科学家，都直接参加了这一科研项目。这一成功，体现了从“八仙过海”发展到“千军万马”的国际合作“大科学模式”的重要性。

“最后一块拼图”——发现引力波的重大意义

超越了科学领域的现实意义

上述国际合作的“大科学模式”，与“合作共赢”“互惠互利”“构建人类命运共同体”等观念一脉相承。

科学哲学意义，包括以下两方面

第一方面，理性主义方法的胜利。科学成果有两大来源：经验、观察、实验等“眼见为实”，结合逻辑推理之后的概括（例如用公式）；理性思考、缜密分析，结合逻辑演绎（特别是借助于数学工具）的“脑中谈兵”。“要是没有狭义相对论，总有一天也会有别人来发现它；但是我认为，广义相对论的情况不是这样。”爱因斯坦说，“没有从经验建立理论的道路。”本来，引力波是一个无时无刻的客观存在，但我们却“视而不见”或“充耳不闻”，是爱因斯坦根据理性思考得到引力场方程，并“纸上谈兵”式地把它推导出来，然后去觅迹寻踪，且最后如愿。这是一个不同凡响的过程！之所以“不同凡响”，有与以下两个发现作为对比的理由。第一个，海王星的发现：发现天王星实际位置与计算出来的位置有偏差之后，再计算出尚未发现的海王星位置并预言它的存在，最后通过观察发现。第二个，镓的发现：预言存在当时尚未发现的新镓——用元素周期表首次预言后被发现的新元素。可以看出，引力波的“过程”与海王星的“过程”相比，前者没有事实依据，后者有事实依据；引力波的“过程”与镓的“过程”相比，前者没有物理学或天文学的理论依据，后者有化学的理论依据。由此可见，引力波的“过程”不但在科学哲学史上再一次表明，科学需要理性主义方法，而且表明科学成果的两大来源不可偏废。这正如美国天体物理学家哈特在《历史上最有影响的100人》一书中所说：“（相对论）并不是以细致的实验为基础，而是以对称和精巧的数学为依据。”所以，“与任何其他可以相提并论的重大学说相比，相对论在更大程度上来看，主要是一位举世无双的杰出天才创作的成果”。

第二方面，“世界上没有不可认识之物，只有尚未被认识之物”。引力波在历经1个世纪的“水千条山万座”之后被证实再一次表明，唯物主义的这一观点依然颠扑不破并激励人类对未知世界一往无前的探索。“我们必须知道，我们必将知道。”（德国数学家希尔伯特语，被刻在他在哥廷根的墓碑的下方）

引力波完成了广义相对论的“最后一块拼图”之后，更有可能被确立为正确的理论

爱因斯坦在广义相对论中有许多关于实验现象的预言，其中涉及“引力”（并非通常所说的物理力）一词的预言主要有四项：引力会引起时空弯曲（光线偏移与时空弯曲是两个事物各自表现出来的现象，但由同一个原因——引力场引起）、时空弯曲导致存在“引力透镜”、引力会引起光谱线红移、存在引力波与因此存在的引力场。截至2015年，除了引力波，其他所有关于实验现象的预言都被一一验证，或者得到了愈来愈多的应用。1919年的日食观测（其后还有多次日食以外形式的觀测）验证了引力会引起时空弯曲的“大轰动”。于是，没能直接观测到引力波成了物理学家们的“心病”。现在，当引力波完成了广义相对论的“最后一块拼图”之后，物理学家们的“心病”也好了，所以这又一次的“大轰动”让科学界激动不已。“‘男儿有泪不轻弹，当时心中忽然暖流涌动，但还是强忍住没哭。”一位物理学家在参加了前述NSF那次发布会之后，如此形容自己的心情，“那是一种强烈的感动，感动到想哭的感觉……”这样，虽然那些有限多个实验不能证明当今大多数科学家相信是正确理论的相对论，但是直接观测到引力波却在确立相对论的历史上写下了“里程碑”式的一页。“这是科学史上重要的一刻。”（英国天体物理学家霍金）我们相信，虽然质疑相对论的声音从来没有停止过，但是相对论的确立只是时间问题。涉及相对论的三次诺贝尔物理学奖，也能为这种观点“加油打气”：1921年（于1922年去日本途中的11月9日在上海霞飞路短暂停留时被告知补发）爱因斯坦独享诺贝尔物理学奖时，该奖评委会还“羞羞答答”（专门写信给爱因斯坦，说他获奖的原因不是基于相对论，而是“对理论物理学的研究，特别是发现了光电效应的定律”）；到了1993年，就如前述“大大方方”为支持相对论的引力波（仅仅是间接观测到）颁奖了；到了2017年，更是“迫不及待”（发布会后仅仅过了1年多，而一般为某个项目颁奖要经过长时间的等待）为支持相对论的引力波颁奖了！

相对论真的能被确立吗？我们拭目以待！

诺贝尔奖历史上的意义——“科学经理人”首次得奖

现代科学愈来愈呈现出的通力合作、协调配合以及资金、物质支撑不可或缺等趋势，表明了“管理者”的重要性和地位。前述“科学经理人”巴里什的得奖，彰显了诺贝尔奖评委会评奖的观念在进步。1979年诺贝尔物理学奖的三位得主之一的美国理论物理学家格拉肖就曾致信诺贝尔奖评委会：“没有他（巴里什）就没有发现。如果他不分享奖项，就太不公平了。”

当然，以上仅仅是这项成果的重大意义的“蜻蜓点水”——不同领域的科学家都可以给出更多的意义。例如，物理学家们认为，它有助于证明其他版本的引力理论正确与否，还将推动引力量子化的研究，最终把引力融入其他3种基本相互作用之中，完成爱因斯坦以失败告终的伟大梦想——创立“大统一场论”。再如，天体物理学家们和天文学家们认为，它为人类探索宇宙提供了全新的观察方法，有助于研究黑洞等遥远的神秘天体，进一步探索“宇宙大爆炸”最初的瞬间之谜与这一理论是否正确，帮助揭开宇宙诞生之谜，甚至会如霍金所说：“引力波提供了一种人们看待宇宙的全新方式。（人类）探测到引力波的这种能力，很有可能引发天文学革命。”这种天文学革命是否会到来？我们不知道，但参与LIGO的美国宾夕法尼亚州立大学科学家汉娜说：“可以预期的是，100年后我们的后辈所知道的将与我们所知道的有天壤之别。”由此可见，引力波的探索不是“四月芳菲尽”，而是“桃花始盛开”——揭秘它的万里征程才“刚刚开始”！

引力波被证实了，“爱因斯坦终于可以瞑目了”！他告诉我们，“‘它从哪里来”；我们还应该知道也必将知道，“‘它到哪里去”……