復旦大學施郁解讀：為什麼今年物理諾獎毫無懸念？

02-08

撰文｜施郁（復旦大學物理學系教授）

責編｜李曉明

知識分子為更好的智趣生活ID：The-Intellectual

2017年諾貝爾物理學獎授予了「為激光干涉引力波天文台（LIGO）以及引力波的觀測做出決定性貢獻」的科學家[1]。這與包括筆者在內的很多人的期望一致。

獎金的一半授予麻省理工學院雷納·韋斯（Rainer Weiss），另一半由加州理工學院巴里?巴里什（Barry Clark Barish）和基普·索恩（Kip Thorne）分享。

為什麼這個去年宣布的研究工作立即獲得諾貝爾獎的承認？可以說是毫無懸念？

帶來諾貝爾獎的引力波

13億年前，宇宙中有兩個黑洞相互碰撞，而且併合成一個大黑洞，發出引力波。這就好像一個石子扔到水中，漣漪向四周擴散。

引力波以光速向四周傳播，這是宇宙中最快的速度。經過13億年在各個方向的長途跋涉，這個引力波於2015年9月14日穿過誕生於45億年前的地球。

在地球上，人類的演化歷史，也只不過200多萬年。僅僅在100年前的1916年，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）預言宇宙中存在引力波。

上世紀70年代，科學家開始發展探測引力波的技術。2002年，LIGO開始工作。而在這個引力波到達兩天前，升級後的LIGO剛開始測試性工作，9月14日恰好捕捉到它，這是人類第一次直接探測到引力波。根據日期，這個引力波代號為GW150914。

引力波與相對論

引力波超越了牛頓引力理論。三百多年前，艾薩克·牛頓（Isaac Newton）說，任何兩個有質量的物體之間存在萬有引力，而且這個引力是瞬時的，也就說，物體之間引力的傳遞不需要時間。牛頓解釋了為什麼地球圍繞太陽轉，為什麼樹上的蘋果會落地。牛頓力學代表了絕對時間和絕對空間的觀點，時間和空間獨立，與物質無關，只是萬物的舞台。萊布尼茲、柏克萊主教，或許乃至牛頓本人，覺察到瞬時作用的缺點，但是由於時代局限性，當時只能如此。

而愛因斯坦1905年創立的狹義相對論指出，任何信號的傳遞不可能超過光速，時間和空間成為整體，稱為時空。在相互勻速運動的不同觀察者看來，同一事件的時間坐標和空間坐標都不一樣，但是總的時空間隔保持不變。

十年之後，愛因斯坦又將引力納入相對論的框架，創立廣義相對論，指出萬有引力就是時空的彎曲，由此影響物質的運動，物質之間的引力需要時間來傳遞。用索恩的導師、美國著名物理學家約翰·惠勒（John Wheeler）的話說，

「物質告訴時空如何彎曲；彎曲的時空告訴物質如何運動。」

星體（比如太陽與地球）之間的引力來自時空的扭曲，圖片來自LIGO

這就好比在席夢思床墊上，一個物體引起床墊變形，變形向四周傳遞，導致另一個物體受力情況的改變，似乎受到前一個物體的吸引力。這個床墊扮演了類似時空的角色。

1916年，愛因斯坦根據廣義相對論，預言了引力波。

波是振動的傳播，比如水波、聲波等等。顧名思義，引力波就是「引力的波」。

引力源質量分布的改變，導致它對其他物體引力的改變，這種改變以光速傳播開來，就是引力波。

既然引力是時空彎曲，那麼引力波也就是「時空的漣漪」，即時空彎曲情況隨時間變化、在空間傳播。引力波到達之處，在垂直於傳播方向的平面上，任何長度都會振蕩，而且在互相垂直的任意兩個方向上步調相反。因為牛頓力學中沒有引力波，所以引力波的觀測也就驗證了廣義相對論。

通常物體間的引力很弱。但宇宙天體的質量巨大，所以它們之間的引力很大。理論表明，引力波主要來自宇宙中的超新星爆發、中子星、黑洞等緻密天體以及宇宙大爆炸。超新星爆發是恆星演化到最後，在自身引力下發生塌縮引起；中子星完全由中子組成，因此密度巨大；黑洞（名字來自惠勒）是這樣一個時空區域，其中引力引起的時空彎曲是如此之強，以至於光也不能逃逸；宇宙大爆炸是指宇宙起源的極早期。

黑洞也是廣義相對論的預言，以前也沒有被直接觀測到，因為它的名字的意思就是它不能發出電磁波。1960年代，人們才相信黑洞的存在。

物理學家對引力波的困惑

但是引力波是不是真實存在，能不能被探測到，曾經令物理學家困惑。

1922年，英國天文學家愛丁頓（A. Eddington）曾幽默地說過，引力波似乎以思想的速度傳播。愛丁頓是誰？1919年日食期間，他和克雷姆林在巴西和西班牙觀測到遠處恆星的光在太陽附近的彎曲（日食使得星光不被陽光淹沒），正如廣義相對論所預言。這個事件引起全世界的轟動，比如泰晤士報報道：「科學革命，宇宙新理論，牛頓理論被推翻」。正是這個事件使愛因斯坦成為家喻戶曉的人物。

愛因斯坦本人也有過動搖。1936年，移居美國的他與助手羅森曾寫過一篇關於引力波不存在的文章，投到《物理評論》，被審稿人指出錯誤，要求修改。愛因斯坦一怒之下，改投《富蘭克林研究所學報》。但是發表時，在同事羅伯森的幫助下，文章已經修改成關於一種圓柱形引力波。2005年，人們才知道，羅伯森就是那個審稿人。

引力波能被探測到嗎

引力波很難直接探測，因為最強的引力波傳到地球時，導致的相對長度變化也只有0.0…01（其中小數點後面有21個0）。也幸虧如此，否則人類或許就不存在了。

1950年代，皮拉尼（F. Pirani）、邦迪（H. Bondi）、費曼（R. Feynman）、羅賓遜（I. Robinson）和韋伯（Joseph Weber）等人證明，引力波攜帶能量，是真實的，而且可以被真實測量，比如可以讓小球運動。

韋伯邁出實驗的第一步。他使用鋁圓柱，即所謂「韋伯棒」作為探測器，希望引力波引起共振，就好比用音叉測量聲音。他後來還用相距1000公里的兩個探測器，以排除隻影響單個探測器的因素。這個思想後來被LIGO採納。1969年韋伯聲稱他的兩個韋伯棒發現了引力波。但是無人能重複。韋伯堅持工作到2000年去世。他的主要貢獻在於開啟了引力波實驗。LIGO宣布發現時，特別邀請他的遺孀前排就坐。

韋伯只能猜測引力波的頻率，而韋伯棒的頻率是固定的。在筆者看來，這就像用一個漁網捕魚，而不知道水裡的魚的尺寸是比網孔小，還是太大而進不了網。

1974年，拉塞爾?赫爾斯（Russel Alan Hulse）和約瑟夫?泰勒（Joseph Hooton Taylor）發現引力波導致一個中子星和與之互相環繞的伴星之間的距離越來越小，因此獲1993年諾貝爾物理學獎。但是，這只是間接證明了引力波的存在。直到2015年，引力波還沒有被直接探測到。

LIGO的工作原理

與失敗的韋伯棒不同，LIGO的探測原理基於激光干涉，它的可測頻率有一個範圍。

相距3002公里的兩個巨大的邁克爾遜激光干涉儀，圖片來自LIGO

LIGO探測引力波的原理示意圖

LIGO包括兩個同樣的探測器，它們相距3002公里，分別位於美國華盛頓州與路易斯安那州。兩個探測器共同工作，可排除其他信號，比如地震。

每個探測器是一個巨大的邁克爾遜干涉儀，有兩個互相垂直的、約4公里長的臂，構成L形。一束激光分成兩束，分別進入兩臂。在每個臂中，激光被兩端的鏡子來回反射多次。最後兩束激光再疊加起來，這就是干涉。疊加（干涉）以後的光強決定於兩臂長度差，所以用來測量兩臂長度差。更詳細的解釋請參見筆者去年的一篇文章[2]。

引力波經過探測器時，每個臂的長度都時長時短地振蕩，而且步調相反，一個臂變長時，另一個變短。所以兩臂長度差也在振蕩，從而激光干涉的光強也在振蕩。由此就可以反推出引力波的性質。

LIGO的成功

LIGO測到，干涉儀的臂發生了0.0……04米的長度改變（小數點後面18個0）。作為人類歷史上最精密的測量，這裡的測量技術與量子物理相關。

引力波引起的LIGO的每個干涉儀的兩臂相對長度差隨時間振蕩。

美國當地時間2016年2月10日，LIGO合作組宣布，他們於2015年9月14日探測到了引力波，它來自一個質量為36太陽質量的黑洞與一個29太陽質量的黑洞的碰撞，然後併合為一個62太陽質量的黑洞，丟失的3太陽質量轉化為引力波的能量。「太陽質量」是天體質量的單位，1個太陽質量意思就是說，它的質量等於太陽的質量。這個工作也證明了黑洞的存在。

LIGO捕捉到信號時，美國處於凌晨，德國處於中午，所以最早注意到這個信號的是漢諾威的Marco Drago。他發現信號與理論預言的一致。

2015年12月26日和2017年1月4日，LIGO又先後兩次探測到黑洞併合產生的引力波。另外LIGO還探測到一次可信度較低的信號。不久前，2017年8月14日，LIGO又和靠近義大利比薩的引力波天文台VIRGO共同探測到另一次黑洞併合產生的引力波。這是VIRGO第一次探測到信號。3個探測器共同工作，使得誤報率從300年1次降低到5700年1次，將引力波源定位準確性提高了10倍，還確定了引力波的振動方向（偏振）。

很多科學家對LIGO的成功作出了貢獻。特別一提的是，以創造性的實驗技能最早提出用激光干涉儀探測引力波並作雜訊分析的韋斯、對激光干涉儀的穩定性作出重要貢獻的德雷弗、對引力波的產生和探測作了很多理論工作的索恩以及建立LIGO國際合作並將其轉化為大科學的巴里什。不幸的是，德雷弗幾年前得了一種老年痴呆（dementia），並於今年3月去世。

在今年諾貝爾獎之前，這幾位科學家已經獲得若干其他獎項。德雷弗、索恩和韋斯獲得2016年的Kavli天體物理獎、Gruber 宇宙學獎和邵逸夫獎，這三位科學家以及LIGO團隊還獲得2016年基礎科學特別突破獎。韋斯、索恩和巴里什獲得第二屆（2017年）復旦-中植科學獎[3]。

LIGO的歷史

LIGO是怎麼走上成功之路的？

1960年代，前蘇聯的M. E. Gertsenshtein和 V. I. Pustovoit提出可以用邁克爾孫干涉儀測量引力波。幾年後，韋伯和他的學生造出了第一個引力波激光干涉儀原型。幾乎同時，韋斯在皮拉尼的啟發下開始類似工作，於1967年演示了一個激光干涉，其敏感度只受限於光子顆粒雜訊。

LIGO的成功可以追溯到麻省理工學院的韋斯1972年的報告，其中分析了引力波干涉儀的各種背景雜訊，包括來自地震、引力場梯度、真空管熱梯度、鏡子及其懸掛索的熱燥聲、激光輸出功率的變化、激光頻率的不穩定、鏡子的壓強反衝、激光的顆粒雜訊，乃至地磁和宇宙線的可能效應。當時這個干涉儀的目標是來自脈衝星的引力波，韋斯估計它的長度約1公里。1974年，韋斯申請美國科學基金會（NSF）自助，將他1米長的原型改為9米長。

當時，德雷弗等人在英國格拉斯哥大學造了一個1米長的干涉儀，後來改進為10米長，且包含法布里—珀羅腔。德國H. Billing等人造了個3米長的，後來改進為30米。兩家後來合作，建造了漢諾威附近的600米長的GEO600，並與LIGO合作。

1970年代，加州理工學院的索恩的研究組作了很多理論工作，包括預言各種引力波源的信號以及分析工具。1970年代後期，索恩說服學校建立實驗組，引進德雷弗，與S. Whitecomb一起領導實驗工作。加州理工學院也有了一個干涉儀原型。

1980年代早期，NSF資助這兩家干涉儀原型，並資助韋斯設計幾公里長的探測器。韋斯的這個「藍皮書」表明了可行性，建議建造相距幾千公里的兩個5公里長的干涉儀。

1984年，LIGO項目開始，由韋斯、德雷弗和索恩領導，總部在加州理工。他們3人一起工作多年。

NSF後來聘請R. Vogt任主任，1990年批准用30億美元建造現在的LIGO，1994年聘請巴里什為主任。巴里什將LIGO轉化為一個大的國際合作計劃，1997年建立LIGO國際合作組織（LSC），領導了兩個探測器的建造，以及2002年和2005年的運行。2005年，巴里什開始領導國際線性加速器。

這次諾貝爾物理學獎宣布前後，著名美籍物理學家馮達旋老師告訴我，他1983年至1985年在NSF做理論物理計劃，有三位主任，他負責中低能物理，Boris Kayser負責高能物理，Rich Isaacson負責天體物理。馮老師認為Isaacson對LIGO的幫助很大。德雷弗、索恩和韋斯常常來討論經費。馮老師對幽默的蘇格蘭人德雷弗特別有好感。每次德雷弗、索恩和韋斯來訪時，都在Isaacson的辦公室里激烈討論。索恩還會用馮老師辦公室的計算機終端做計算，有時徹夜不歸。馮老師問過他們，愛因斯坦有沒有可能錯了。索恩說，愛因斯坦錯的可能性太小了，不過萬一錯了，也是讓我們對大自然有更深的了解！

其他引力波探測器

1996年，義大利—法國合作建成臂長3米的VIRGO，適合於低頻率的信號，2003年開始工作。2017年8月1完成升級後與LIGO共同工作了4周。8月14日，VIRGO和LIGO共同探測到一次引力波。

國際上還有日本的300米臂長的TAMA 300，現已停止工作，是計劃中的KAGRA的原型。KAGRA可能2018年開始工作。計劃中的還有建在印度的LIGO-印度，作為LIGO的第三個探測器、比LIGO探測範圍大幾千倍的歐洲的愛因斯坦望遠鏡。還有計劃建在太空的探測低頻率引力波信號的探測器，包括由3個空間站組成的激光干涉太空天線（LISA）和日本的分赫茲干涉引力波天文台（DECIGO）。中國在討論地面探測器天琴計劃和太空探測器太極計劃。中國還有個阿里計劃，通過微波背景輻射間接研究宇宙原初引力波。

意義

作為人類歷史上最重大的發現之一，LIGO探測到引力波的意義不僅在於直接驗證廣義相對論和它預言的引力波的存在，更重要的，還在於開啟了對強引力、隨時間變化的引力以及黑洞的直接觀測，打開了認識宇宙的一個新窗口。在這之前，我們關於宇宙的信息來自宇宙中傳來的電磁波和粒子，如宇宙線和中微子，而引力波帶來了主宰宇宙的引力的直接信息。

LIGO探測到黑洞併合產生的引力波，也證明了黑洞的存在及其一些性質。以前關於黑洞的信息都是間接的，所以原來黑洞的存在並沒有被直接證實。

比如，對於迄今觀測到的每次引力波事件，都可以驗證，最後的大黑洞的質量的平方都大於原來的兩個小黑洞的質量平方之和。以GW150914為例，62的平方確實大於36的平方加上29的平方。因為黑洞的視界面積正比於質量的平方，這就驗證了霍金（Stephen William Hawking）的面積不減定理。

可以期待，引力波的觀測將會更加常態化，引力波天文學將會發展起來，其他引力波源，比如中子星併合、超新星爆發等等將來也應該會被觀測到。

LIGO的成功同時也是精密測量的偉大勝利，也將進一步推動量子測量方面的研究。比如LIGO將用壓縮態激光降低量子雜訊。

作為上千人的國際合作，LIGO的成功還給大科學的運作提供了經驗。

參考文獻：

[1] 諾貝爾獎官方資料。

[2] 施郁，「愛因斯坦在1916：從引力波到電磁波」，知識分子，2016.3.19.

[2] 施郁，：『三位引力波獵手，獲第二屆「復旦-中植科學獎」』，知識分子，2016.3.19.

製版編輯：許逸｜

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