人類可以聽到引力波

06-05

美國當地時間2月11日上午10點30分（北京時間2月11日23點30分），美國國家科學基金會（NSF）召集了來自加州理工學院、麻省理工學院以及LIGO－Virgo科學合作組織的科學家，在華盛頓特區國家媒體中心宣布：人類首次直接探測到了引力波！

幾乎所有人都在追問到底什麼是引力波，作用是什麼？儘管很多文章試圖用通俗易懂的語言解釋，但是結果還是差強人意。比如這樣的解釋：引力波是愛因斯坦廣義相對論所預言的一種以光速傳播的時空波動，如同石頭丟進水裡產生的波紋一樣，引力波被視為宇宙中的「時空漣漪」。還有其他解釋：引力波是一種與電磁波不同的輻射，無法通過電磁輻射直接觀測。引力波與宇宙中物質的相互作用是非常微弱的，因此可以傳播至很遠的宇宙空間。

與其描述的如此複雜，不如做個簡單的聯想。在哥倫比亞大學物理學教授紹博爾齊·馬爾卡看來，人類此前的天文學發現都好似「眼睛」，而引力波的發現意味著人類長了「耳朵」。以前人類探測宇宙依靠的是光波和電磁波，現在有了光速傳播的「聲音」，人類自然就能獲取更豐富的宇宙信息。

這個比喻並不是空穴來風，事實上，引力波不僅具備視覺探測所不能及的信息，而且，其探測裝置與人的聽覺系統還有異曲同工之妙。筆者就從引力波發現的過程和昨天的LIGO的新聞發布會所公布的資料進行簡單解釋，希望引起讀者朋友們更多的思考。

引力波的探測信號人類可以聽到

美國東部時間2015年9月14日5時51分，位於利文斯頓的探測器首先傳出撞擊聲，7毫秒後，漢福德的探測器也傳出撞擊聲。這意味著有引力波傳到了地球，並被美國的「激光干涉引力波天文台」（LIGO）的兩台孿生引力波探測器探測到。

奇怪，怎麼會是「撞擊聲」呢？我們先看一下LIGO公布的GW150914引力波信號，下圖是LIGO利文斯頓(左)和漢福德(右) 探測器所觀測（預測）到的GW150914引力波的時域（上）和頻域（下）信號。注意，這個信號實際上是引力波引起的激光干涉應變隨時間和頻率的變化，而並非引力波本身。下圖顯示了GW150914的頻率在0.2秒內從35赫茲迅速增加到150赫茲，時間相差7毫秒，這個時間差與光或者引力波在兩個探測器之間傳播的時間一致。

35赫茲到150赫茲，這個頻段實際上是人類可聽到的低頻聲音，所以才會在激光干涉探測中產生上述類似撞擊的聲音出現。LIGO給出了這個信號片段，您可以加入聲學在線微信公眾號（soundonline），來試聽一下。但是，用手機喇叭和耳機播放的朋友們就別再嘗試了，這個頻段普通手機喇叭和耳機是很難播放出來的，需要接到一個專業音響系統中才能感受到人類首次探測到引力波的喜悅！

上面強調了，這並非引力波本身，也不代表引力波激發應變的全部。事實上探測引力波到目前來說學術界共有四種方法，LIGO－Virgo的地面數公里激光干涉探測方法僅是其中一種。而這種方法探測的信號也是以引力波的高頻段為主，通常這個頻段是幾十到幾千赫茲，基本都在人類可聽的聲音頻段之內。這種方法探測的引力波主要來源於中子星、恆星級黑洞等緻密天體組成的雙星系統。其他三種方法則會探測到更多來源的引力波信號，筆者也期待包括中國在內的研究機構，有更多的科研進展。

引力波探測的裝置類似人類的雙耳

引力波有點類似聲波（其實完全不同），其穿透力相當之強，宇宙中幾乎沒有什麼可以阻擋，但這也是它的弱點，其信號又是如此微弱，因此就連愛因斯特都覺得幾乎不可能探測到這種信號。為探測引力波，美國國家自然科學基金會於上世紀90年代在路易斯安娜州利文斯頓和華盛頓州漢福德各建造了一個激光干涉引力波天文台(LIGO)。每個天文台都有兩個長達4公里的測量臂，呈L型排列（下圖左為利文斯頓探測站，右為漢福德探測站）。花費了那麼多錢和時間，以至於從事這項計劃的很多元老都戲謔應該把自己關到監獄，可見這些偉大科學家的責任擔當和可愛之處。

為什麼要用兩個探測站同時探測呢？事實上，一個探測站利用兩個超長的垂直激光臂就能探測到引力波引起的應變，但是這無法測定引力波的來源方向。這點和人類的雙耳模型有點類似，人類一隻耳朵就能聽到聲音，但是如果堵住一隻耳朵，人類就無法分辨聲音的來源。人類利用雙耳定位的能力非常重要，如果一隻耳朵出現聽力下降，這可能會影響到人類的平衡能力，甚至經常產生噁心眩暈的現象。因此，只靠一個引力波探測器還無法確定本次發現的引力波事件及其方位。LIGO的兩個激光干涉引力波天文台類似於人類雙耳模型，通過引力波信號到達不同探測器的時間差和其信號的強弱，來確定引力波信號的空間位置。這種方法在聲學上通常定義為ITD（雙耳時間差）和ILD（雙耳聲級差），也是人類獲取聲音方位信息的主要參考。

這樣看來，LIGO花費巨資建設的兩個激光干涉引力波天文台，就像安裝在地球上的兩隻巨大「耳朵」，一直試圖傾聽者宇宙最深處的「聲音」。只不過這次LIGO真的非常幸運，剛剛升級完畢就聽到了這次足以讓全世界物理學家興奮的「聲音」。儘管這次實驗仍然需要很長時間再次驗證，而且諾貝兒獎也需要等待驗證的結果。但不管怎樣，這兩隻「耳朵」已經開啟了人類探測宇宙新的篇章。LIGO的雄心顯然不滿足於這次重大發現，其全球布局的「耳朵」還正在建設。一旦這個「耳朵」大陣列運轉起來，人類對於宇宙的探測將從此邁入新的高度。略感到可惜是，國內僅有清華大學參與了LIGO在計算方面的工作，而我們國家引力波計劃的天琴衛星還正在籌劃發射之中。