(1)引力波，廣義相對論的最後一塊「拼圖」

美國國家科學基金宣布發現引力波現場。

不少沉浸在春節假日歡快氛圍中的人們，這兩天都被一條重磅科學發現所吸引。美國科學家11日宣布，他們利用激光干涉引力波天文台（LIGO）於去年9月首次直接探測到引力波，這是人類第一次能夠「聽」到宇宙的「聲音」，並證實了愛因斯坦在100年前所做的預測。

一、引力波是什麼？

1．牛頓的描述

牛頓認為，月球之所以會繞地球運轉，是它們之間存在引力的緣故。這引力像繩子那樣一頭拴著月亮，一頭系著地球。任何兩個物體之間都存在引力，所以牛頓給出了萬有引力定律。當然，萬有引力是無形的，看不見摸不著，卻如一條條鐵鏈拴住世間萬物。

2．愛因斯坦的觀點

牛頓以來的科學家都認為光線是直線傳播的，但在實際的觀察中發現，從遙遠的星球過來的星光經過太陽附近時會發生彎曲。愛因斯坦認為，要解決觀測與理論間的矛盾，只能假設太陽周圍的空間是彎曲的，這樣光線在其中通過時，其路徑也彎曲起來。於是他提出了廣義相對論，用彎曲空間來討論萬有引力的作用：每個有質量的物體周圍都會出現時空的「彎曲」。這種彎曲就像在一層橡膠膜上放一顆鐵球產生的凹陷一樣。這時放在膜上的物體就要順勢滑向鐵球。如果不滑向鐵球，唯一的辦法就是在凹陷的膜上轉動。想像一下在漏斗側壁上滾動的小球，只要它的速度合適，就不會落入漏斗中。同樣，包括地球在內的行星都以恰到好處的速度繞太陽轉動，因此不會被太陽這個「引力漏斗」吸入。

光線在引力下彎曲

愛因斯坦的廣義相對論論證的一個重點就是，引力的本質是時空幾何在物質影響下的彎曲。1916年，愛因斯坦在廣義相對論框架下發表論文，論證了引力的作用以波動的形式傳播。這就是引力波的由來。

引力波就像時空結構中的漣漪，如果把空間想像成一塊巨大的橡膠膜，那些有質量的物體就會讓橡膠膜彎曲，就像我們站在蹦床上時引起床墊變形一樣。質量越大，空間被彎曲得越厲害。

引力波示意圖

只要有質量的物體加速，改變了空間形狀，引力波就產生了，你可以想像湖面的漣漪。當高密度、大質量的物體在宇宙里加速——比如黑洞或者中子星——它們會在時空的墊子上泛起漣漪。這些波紋攜帶著大質量物體的引力輻射，在廣闊的宇宙中傳播。激光干涉引力波觀測站的存在就是為了捕捉這種微弱的波動。

二、為什麼要尋找引力波？

理由之一：它將驗證1916年愛因斯坦提出的廣義相對論。100年前，愛因斯坦的廣義相對論預言了引力波的存在。廣義相對論的其他預言如光線的彎曲、水星近日點進動以及引力紅移效應都已獲證實，唯有引力波一直徘徊在科學家的「視線」之外。引力波被證實存在，意味著時空確實是可以扭曲的，愛因斯坦廣義相對論的最後一塊「拼圖」找齊了。

理由之二：廣義相對論中預言的引力波也可以產生於宇宙大爆炸中，這就是說大爆炸之初的引力波在137億年後的今天仍然可以探測到。一旦我們發現了宇宙大爆炸時期的引力波，就可以揭開宇宙的各種謎團，甚至了解整個宇宙的起源和運行機制。

理由之三：引力波是一種時空漣漪，如同石頭被丟進水裡產生的波紋。在宇宙中，強引力場天體非常之多，比如超大質量黑洞合併，脈衝星自轉、超新星爆發等都是引力波的強有力來源。找到引力波就意味著打開了全新的宇宙觀察視野：可以為我們展示引力的最強狀態，比如黑洞；能夠讓我們看到物質密度最大時的樣子，比如中子星；還能揭示出星系大爆炸的新信息，比如超新星爆發，黑洞和中子星的融合。

三、如何探測引力波？

引力波無法通過電磁輻射直接觀測，其與宇宙中物質的相互作用也極為微弱，因而連愛因斯坦都認為引力波在任何能想像的情況下都可以忽略，是很難測量的，探測引力波在很長一段時間內被視為「不可能完成的任務」。。但今天的科學家們依然對此充滿著好奇，希望能夠找到引力波，不上廣義相對論缺少的這塊「拼圖」。

位於華盛頓州漢福德的干涉儀

上世界90年代初，美國物理學家Rainer·Weiss領導的LIGO項目得到了美國國家科學基金的資助，在美國的華盛頓州和路易斯安那州分別建造一個干涉儀，呈現L型排列，利用邁克耳遜干涉儀原理進行測量引力波。

位於路易斯安那州的干涉儀

L型測量臂很長，達到4公里，兩個測量臂垂直排列，兩端各有反射鏡面。科學家認為激光在測量反射臂上來回反射，如果幹涉條紋發生了變化，就說明探測到了引力波事件。2005年之後，激光干涉引力波天文台再次進行了升級，使用更高功率的激光器和避震措施，降低誤差。

探測引力波需要探測器具有極高的靈敏度，還需區分開來引力波信號和環境或儀器雜訊。10多個國家超過1000名科學家參與了這個搜尋引力波的項目。

四、等待了50年的新發現

2015年9月14日北京時間17點50分45秒，位於利文斯頓與漢福德的兩台探測器同時觀測到了後來被命名為GW150914的引力波信號。LIGO項目的科學家們花了幾個月的時間進行驗證，最終確認探測到的就是引力波信號，並於2016年2月11日正式公布。

這個信號來自雙黑洞系統的合併。在兩個黑洞相互接近繞轉的過程中，會不斷朝外輻射引力波，而引力波的輻射會把兩個黑洞之間的引力勢能降低，所以兩個黑洞的距離會變小。隨著兩個黑洞的距離變小，它們之間相互繞轉的頻率會變得更快，最終兩個黑洞碰撞併合在了一起，這一過程會放出大量的引力波能量。

兩個正在旋轉合併的黑洞模擬圖

這一輻射的能量有多大，可通過愛因斯坦著名的質能方程E=MC²加以計算。兩個黑洞的質量分別是36個太陽質量和29個太陽質量，其中引力波輻射損失的質量大約為3個太陽質量。3個太陽質量的物體變成了能量，相當於數以億億億億計的原子彈同時爆炸，其威力相當驚人，整個空間都在顫動。這一顫動也在13億年後傳到了地球——這就是目前LIGO探測到的引力波。

簡而言之就是，3個太陽的質量，變成能量被引力波帶走了，傳播速度跟光速一致。這是人類第一次探測到引力波，也是人類第一次探測到雙黑洞合併。

在這個讓物理學家50年來望眼欲穿的、持續時間不到一秒鐘的事件中，4對在真空中相距4公里的40千克的玻璃鏡子的距離，以原子核尺寸千分之一大小的振幅振動了十幾次。這樣微乎其微的振動，被打在這些鏡子上的100千瓦的激光讀出，讓人類第一次「近距離的接觸」了黑洞，觀察到了黑洞附近時間和空間的高度扭曲和脈動。

激光干涉引力波觀測站兩個干涉儀收到的引力波信號數據波形

引力波探測的成功，為人類觀察宇宙提供了一個嶄新的窗口。可以預計，未來更多的雙黑洞時間，會讓我們更清晰地了解黑洞附近的時空幾何，更令人期待的是，一些未知源的引力波也可能被探測到。

還是那句話，我們所知道的僅僅是冰山一角，還有很多未知的世界等待著我們去發現。科學研究才剛剛開始，好戲還在後頭呢。