人類首次直接探到引力波：既是幸運，也是意料之中
LIGO激光干涉引力波觀測站。兩個方向的隧道長度為四公里。
《賽先生》特約記者 張軒中
「今人不見古時月，今月曾經照古人。」13億年前的地球充其量還只有低等生命的存在，然而那時候遙遠外太空里一顆質量為29倍太陽質量的黑洞與另外一顆36倍太陽質量的黑洞緩慢地靠近了，它們相互繞轉，最後碰撞併合在一起，並撥動宇宙的琴弦——發出引力波。引力波以光速傳播，在走了漫長的13億年後，如今正強烈地撥動著2016年地球人的心弦。
一百年前，愛因斯坦提出廣義相對論的完整理論，把一維時間與三維空間看成是一個整體，成為一個四維的幾何體。這一幾何體被稱為四維時空或四維流形。然而，如果把這個四維時空做一個依賴於觀察者的3+1分解，就可以得到空間與時間。
愛因斯坦發現，三維空間本身是有彈性的，它會隨著一維時間振動。這一振動將在整個空間激發出一種波動，類似於水面上的漣漪——愛因斯坦稱這種空間的漣漪為引力波。
1919年 ，愛丁頓等人在日全食期間用光線彎曲的實驗論證了愛因斯坦廣義相對論是一個滿足天文觀測的引力理論，這一實驗驗證為愛因斯坦的廣義相對論提供了實驗依據，也成為科學史上的大事件。此後，陸續有驗證愛因斯坦廣義相對論的實驗推出，但這些實驗都沒有超出太陽系的尺度，因此局限在宇宙的一隅，猶如坐井觀天。而且所有以前的實驗，只觀察到一個固定的彎曲空間，沒有一個實驗看到彎曲空間的波動。
終於，97年後的今天，一個更震撼人心的實驗結果將要出現。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），美國國家自然科學基金會將攜加州理工、麻省理工和LIGO科學合作組織（LSC）的專家向全世界宣布，美國的LIGO（激光干涉引力波觀測站）首次直接探測到了引力波，其波源來自13億光年之外的遙遠宇宙空間，由兩個黑洞碰撞併合所引發，這顯然是在宇宙尺度上對愛因斯坦廣義相對論進行檢測與判斷的一個重要實驗。
此前，人類從未直接探測到引力波，科學家僅通過對一個雙星系統的觀測——兩顆雙中子星相互圍繞著對方公轉——得到了引力波存在的間接證據，並獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。此後，人們一直孜孜以求，科學界也有多種探測引力波的方法和設備，但一直無所斬獲，直到去年LIGO升級後（註：LIGO於2001年正式投入觀測，2010年關閉，開始進行升級改造。升級後的LIGO於2015年9月18日重新開機運行，預計2019-2020年完成全部升級改造），事情開始有了眉目。
一場有準備之戰
北京師範大學天文系主任朱宗宏教授是研究引力波的專家，曾在日本國立天文台的引力波探測項目TAMA300工作多年（那是一架臂長為300米的激光干涉儀），目前參加日本後續項目KAGRA（這是位於神岡的臂長為3200米的大型低溫激光干涉儀，項目負責人是2015年諾貝爾物理學獎得主梶田隆章(Takaaki Kajita)）。
朱宗宏告訴《賽先生》，2015年年初他訪問加州理工學院陳雁北教授（參與LIGO項目的資深專家）時，曾與他共同商討在北京舉辦大型國際引力波活動The NextDetectors for Gravitational Wave Astronomy（參見2015年12月出版的《中國科學》英文版），當時就發現加州理工學院的專家們已經開始專門開會商量LIGO發現引力波後的應對策略了。
朱宗宏說，在LIGO還沒有升級改造的時候，LIGO高層主管在數據分析科學家不知情的情況下，輸入了一個約6000萬光年之外的兩顆中子星碰撞併合的模擬信號，數據分析科學家們從引力波信號波形的分析找到了這個事件——這說明在LIGO升級之前，引力波信號波形的分析技術已經成熟——此路可以走通，這無疑是一個巨大的鼓舞。
（b）圖是數值計算所得到的引力波波形。
但這遠遠不夠。朱宗宏介紹說：「初期LIGO的精度是10的-22次方量級，對於4000米的干涉臂來說，相當於可以檢測出千分之一質子大小的距離變化，這個精度是相當高的（註：質子的大小是10的-15次方米）。」2015年9月，升級後的LIGO精度進一步提高到了10的-23次方量級，相當於可以檢測出萬分之一質子大小的距離變化。
除了精度問題，朱宗宏還透露，根據科學家們的估計，在LIGO升級改造之前，它一年能夠測到0.0002到0.2次雙中子星併合信號，或者0.0002到0.5次雙黑洞併合信號；而在LIGO升級改造之後，它一年就能測到0.4到400次雙中子星併合信號，或者0.4到1000次雙黑洞併合信號了。所以就雙黑洞併合信號而言，保守估計是兩年半看到一次，樂觀估計則是一天就能看到3次！所以說，正在升級中的advanced LIGO初試鋒芒就探測到信號，可說是非常幸運，也可以說是非常正常！
朱宗宏表示，美國在LIGO實驗上的項目經驗值得借鑒：LIGO的激光干涉儀為什麼有兩台，每台臂長為什麼要4000米，這兩台之間的距離多少為最優，如何製作減震系統，如何加大激光器的功率等等這些問題都經過了前期精心測算。因為「在大科學實驗中，不能打無準備的仗」。
LIGO何以探測到引力波
根據現在已有的消息，造成此次探測到的引力波是兩個分別為29倍太陽質量與36倍太陽質量的黑洞並和形成一個62倍太陽質量的黑洞所形成的。也許你會問，合併後的黑洞為什麼損失了3個太陽質量？
原來，在兩個黑洞相互接近繞轉的過程中，根據廣義相對論的數學物理推導，這是一個隨時間變化的四極矩，因此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。這是一個典型的正反饋過程，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，就好像是在舞池上的兩個芭蕾舞演員，最後他們會抱在一起——這就是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，損失的那3個太陽質量就是變成引力波輻射出去的。
這一輻射的能量有多大，通過愛因斯坦的著名質能方程E=MC2計算可知，這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。
引力波信號傳遞到地球以後，其在激光干涉儀的接受器上會形成一個電子信號，這個電子信號在模數轉換後在終端電腦上表現為一個「引力波信號波形」。對這一波形的處理堪稱技術性難題，而科學家需要從波形里讀出很多信息：黑洞併合所花費的時間、併合後黑洞的質量、併合後黑洞的自轉角動量、黑洞併合事發現場距離地球的距離。（註：詳細信息可見加州理工學院的引力波專家基普·索恩所著的《星際穿越中的物理學》英文版的16章，本書也有中文版。）
《賽先生》了解到，LIGO這次對引力波信號波形的分析足足花了幾個月的時間。
併合後的黑洞角動量有多大
對上述技術性難題中的黑洞角動量問題，國家天文台研究員苟利軍告訴《賽先生》：「一般黑洞是旋轉的，我們稱之為克爾黑洞。克爾黑洞的角動量可以通過圍繞其公轉的粒子的最內穩定軌道來推定，最內穩定軌道的半徑與克爾黑洞的角動量之間存在一條巴丁對應曲線（註：這位巴丁的父親是超導BCS理論中的B，其父親得過兩次諾貝爾獎）。由這一對應曲線，我們可以知道克爾黑洞的角動量，這是對傳統黑洞的角動量的經典研究方法，對於目前LIGO探測到的合併後的黑洞的角動量，則需要從引力波信號波形中進行提取。」
目前有多方信息源向《賽先生》表示，LIGO目前探測到的引力波揭示出合併後的62個太陽質量的黑洞具有中等數值的自轉角動量。這一自轉角動量用無量綱數a*來表示，當a*為0的時候表示黑洞不發生自轉，而a*等於1的時候表示黑洞是一個極端黑洞（不能轉得更快了，否則就會出現裸奇點）。
期待更多「零」的突破
現在，距離LIGO發現引力波的新聞發布會還有不到24小時，屆時將有更多信息和數據披露出來，世界各地的天文學家都在翹首等待這一相對論大革命事件的確證。
作為首次被探測到的引力波，這次的波源是雙黑洞併合所引發，這種引力波的典型頻率在1赫茲到100赫茲之間。但是，就公開發表的情況來看，對於其他頻段的引力波的測量目前還沒有實現「零」的突破，比如10的-16次方赫茲左右的原初引力波會在宇宙微波背景上產生所謂B模式，而用脈衝星計時陣探測的10的-9次方赫茲左右的雙超大質量黑洞的引力波也是科學家們關心的物理過程。這些頻率的引力波探測都還需要後續進一步的工作去完成。
發現引力波可以與100多年前發現電磁波的事件相提並論。很明顯，電磁波已經改變了我們人類社會的面貌，從手機信號到微波爐，從WIFI到GPS，電磁波帶來了人類文明的曙光。
在電磁波被發現100多年以後的今天，引力波被找到了。它是唯一可以在高維時空中傳遞的波，這點與電磁波完全不同，對引力波的深入研究可以帶給我們對大尺度時空結構信息的全面深入了解。同時，毫無疑問的是，引力波的穿透能力比中微子還要強，它也許真能像科幻小說《三體》中描述的那樣，被人類用於星際通訊領域。
（感謝潘穎女士為本文提供採訪和寫作上的幫助；感謝曹周鍵老師供圖，圖片版權屬於《現代物理知識》，作者獲授權使用）
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