待引力波撥動了天琴的弦

【引言】

引力印記深深深幾許，千方百計尋他去。100年前，愛因斯坦的廣義相對論如同一顆巨大的石頭投進海洋中激起大片水花，它所提出的時空本質顛覆了此前的認識，指出時間空間並不是獨立的，而是相互聯繫的，作為一體的時空並非總是平直的，而是會被物質的質量彎曲，同樣，物質如何運動又受時空彎曲影響。儘管後續多次天文觀測為它提供了有力的證明，科學家們還希望有更直接的證明——廣義相對論預言的時空波動「引力波」能否直接被探測到呢？回想近50年前，人類便開始了這個夢的追尋。中國科學家也曾是這個追夢隊伍中的活躍分子，由於種種原因，他們中斷了十餘年，現在，他們提出了「天琴」空間引力波探測計劃，再次整裝待發，進入這個至今仍未攻關成功的陣地。為什麼科學家們要這麼執迷於探測引力波呢？「天琴」計劃之前，還有哪些樂器和追引力波的人試圖譜出引力波的曲子呢？「天琴」人面臨了哪些機遇，又有哪些挑戰？

撰文/左文文 博士（上海天文台）

音樂會中那一承上啟下的樂章

愛因斯坦堪稱物理學界最重要的主角之一。繼1915年提出廣義相對論後，他成功地將相對性原理推廣至一切參考系，推廣到包括電磁學和引力在內的物理學領域。簡而言之，廣義相對論描述了時空彎曲如何受物質決定，物質的運動如何受時空彎曲影響。它革新了人類對於時空本質的經驗認識。

要想人們從理性上接受它，必須提供出可靠的證據。愛因斯坦在廣義相對論提出之處採用了兩種方式：解釋當時現有的難題，提出預言供檢驗。[1]

當時，觀測發現水星的近日點進動的值比利用牛頓定律計算的結果多出了43.11角秒（1角秒是1/3600角度）。天文學家試圖用其它天體對水星運動的影響來解釋這多出的進動值，都未成功。直到1916年，愛因斯坦根據廣義相對論，成功解釋該問題，預測的進動值與觀測結果很接近。這是一次對廣義相對論的有力驗證。

1915年，愛因斯坦預言，當一顆恆星發出的光經過太陽時，由於太陽造成的時空彎曲，沿著最直接路線運動的光實際上已偏離了原來的入射路線，偏離角度約為1.75角秒。經歷了多番坎坷，終於，在一定的誤差範圍內，這一預言得到了日全食觀測結果的驗證。

第三個廣為人知的愛因斯坦預言是引力紅移，同樣也得到了科學家們的觀測檢驗。它們共同推動了物理學界對廣義相對論的廣泛接受。歸根結底，這三者對應的都是時空彎曲的反映。物質的質量引起時空彎曲，如果該物體還在加速運動呢？時空彎曲的程度發生變化，表現成以光速向外傳播的引力波。這個預言早在1916年愛因斯坦就提出過。在廣義相對論被廣泛接受之後，科學家們一直試圖去探測引力波。如果說廣義相對論的驗證比作一場音樂會，引力波的探測歷程就好像承上啟下的樂章，也許前奏低沉甚至失落，但中間定會激情高昂。

在它之前，廣義相對論已初步成功驗證，並應用到各個方面（例如GPS）；在它之後，引力波如果被我們探測到，會怎麼樣呢？

引力波：我輩豈是蓬蒿物

如果真的探測到了引力波，追引力波的人終於可以說，我們更加嚴格地證明了廣義相對論。

歷史告訴我們，人類科技的頻頻更迭將宇宙更多面展現給我們，例如，20世紀天文的四大發現很大程度上感謝射電天文學和射電通信技術的發展。誰能保證引力波的發現不會引發一系列新的發現呢？誰能說引力波不會被應用到我們的日常生活中呢？

關於引力波可能帶來的科學新發現，讓人暢想的內容很多。過去所做的大部分天文學研究是基於不同形式的電磁波（光學、射電、X射線波段等），但是電磁波容易被介於目標天體和觀測者之間的物質散射或吸收等。最簡單的例子是地球大氣的消光影響。如果觀測手段是引力波，因為宇宙相對於它們近乎透明，影響微弱。人類將可能觀測到在其它方式下被阻擋的天體，以及並沒有產生電磁輻射的天體現象。

也許有一天，我們可以通過引力波追溯到宇宙的極早期，甚至是宇宙大爆炸之後10-36秒到10-32秒，而今天我們人類可以探測到的宇宙微波背景輻射是大爆炸之後30萬年。引力波將幫助探索物理上一些重大問題，例如：廣義相對論是否正確描述了引力？超新星爆炸時的具體細節是怎樣的？超新星爆炸後，中子星或黑洞是如何誕生的？雙黑洞碰撞前後以及碰撞瞬間究竟發生了什麼？

技術推動新發現，反過來，探索新發現這樣的應用需求也會驅動技術的發展。2014年10月13日舉行的東方科技論壇上，上海理工大學光電學院院長庄松林院士就探測引力波這一領域，他建議我國建造第二代激光干涉引力波探測器，參與國際的合作與競爭。他認為，耗資巨大的這種項目是值得的，因為探測到引力波必然是基礎物理學的巨大突破，而且建造探測器所需要用到的大功率穩頻激光器、超高反射率薄膜、超高精度光學元件等技術，會提升我國在這些領域的科技水平，也會使其它工程受益[2]。天琴計劃將擔當起該重任。

無獨有偶，清華大學信息技術研究院研究員曹軍威也有略同的英雄所見。他曾經在美國麻省理工學院空間研究中心工作從事引力波探測和數據分析工作，2006回國創建了清華大學LIGO（激光干涉引力波天文台；Laser Interferometer Gravity Observatory）工作組，開展LIGO實時數據分析和引力波探測，獲國際同行認可，並發表多篇結果於Nature等國際期刊上。根據他多年參與引力波探測工作積累的經驗，他認為，科學探索的需求一直是計算機技術發展的驅動力之一，如WWW發明於CERN的信息共享需求，網格計算起源於美國國家實驗室的超級計算機共享需求等等。他說，「我們參與LIGO項目也是希望從應用驅動的角度開展先進計算技術的研究工作，LIGO引力波數據雖然沒有高能物理方面的數據量大，但其處理要求非常高，對計算技術的挑戰非常大，我們參與其中可以掌握第一手的應用需求，有的放矢的開展計算機應用技術研究。」

路漫漫，上下而求索

既然引力波的探測如此力重千鈞，人類做過哪些努力呢？咱們中國人與引力波探測又有過哪些交手呢？天琴的提出是種偶然，還是多年來夙願實現的必然呢？

國際上這場引力波探測的比賽自20世紀60年代就已開始，時至今日比賽仍在繼續，而且有了更多的對手和合作。雖然目前仍然沒有引力波的直接探測證據，但不乏一些帶來鼓勵的間接證據。

1993年被授予諾貝爾物理學獎的工作便是引力波的研究歷程中的一座里程碑。故事中的主角是兩顆小尺度的天體，半徑僅有幾十千米，質量與太陽相當，兩者之間相隔大約幾倍月地距離。它們圍繞彼此快速轉動，經過足夠長時間的觀測，科學家們發現它們彼此繞轉的速度越來越快，彼此繞轉一圈所需要的時間（軌道周期）變短，大概每年會變短百萬分之一秒[3]。根據廣義相對論，軌道周期的不斷縮短之所以會發生，是因為系統中的兩個天體在彼此繞轉著靠近的過程中，以引力波的形式釋放能量；從而也成功地間接證明引力波的存在。

韋伯棒

再回到直接探測的嘗試。引力波，本質上是彎曲時空的傳播。為了直接探測到引力波，馬里蘭大學的約瑟夫·韋伯設計製造出實心鋁棒引力波探測器，主體是兩根長2米、直徑1米的實心鋁棒。韋伯認為，當引力波的頻率與實心鋁棒的諧振頻率相近時，微弱的引力波信號將被放大至可探測水平。1969年，韋伯發表論文，稱他的鋁棒引力波探測器接收到來自銀河系中心的引力波信號[4]。

AIP Emilio Segrè Visual Archives

韋伯的發現以及他的數據處理細節遭到了其他科學家的質疑。儘管如此，我們今天銘記韋伯，感謝他當年的決心、堅持和努力，感謝他的工作吸引更多的科學家進入引力波探測的隊伍——包括中國在內的多國科學家紛紛製造類似的鋁棒引力波探測器。利用這些儀器，即使後來在提高靈敏度上做了更多改進，卻也沒能看到任何引力波信號。

激光干涉方法

1962年，開始有科學家提出用激光干涉方法探測引力波[5]。如果一個物體受到引力波的影響，那麼它將在一個方向上被壓縮，而在另一個垂直的方向上被拉伸。

激光干涉地面引力波探測器

因此，目前最先進的引力波地面探測器均呈L型，利用激光干涉技術，通過研究激光束的干涉條紋，來探索兩臂相對長度是否受引力波的影響而變化。

美國目前有兩個這樣的激光干涉引力探測器，分別在華盛頓的漢福德和路易斯安那的利文斯頓，兩者相距3002千米，它們共同組成的系統名為激光干涉引力觀測站（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory; LIGO）。國際上同類的地面引力波探測器還有義大利、法國合作的Virgo，德國的GEO和日本的TAMA等。

以其中最大、靈敏度最高也是實施最早的LIGO為例，讓我們來具體看看它的工作過程：對於其中一個L型探測器，兩臂長度均為4千米，一束激光在兩臂的交叉處被分光鏡一份為相互垂直的兩束。由於在交叉處和每一條臂的末端都垂放著反射鏡，因此兩束激光將在兩臂間來回反彈，最終回到交叉處，發生干涉。如果兩臂的長度保持不變，那麼最終將干涉相消，即最終在輸出上看不到干涉信號。但是，如果由於引力波輕微地拉伸一條臂，壓縮另一條臂，相互干涉的兩束激光束將不再能彼此相消，干涉結果將顯示出。輸出的信號中就蘊含了兩臂的相對長度變化，進而告訴我們引力波的信息。

在利文斯頓的LIGO探測器的俯視圖。圖片來源：LIGO。

但是僅靠單個探測器是無法確定引力波源的位置，因為單個探測器在單次觀測時接收的信號來自於一大片天區，而不是定向的某個位置。如果有2個以上的探測器，處於不同位置的它們接收到引力波的時間會有一定的差別，根據時間延遲以及已知的探測器間相對位置，就可以幫助定位引力波源。而且多個探測器的探測還可以排除一些干擾項「偽造」的疑似引力波信號。如果某個引力波探測器收到了引力波信號，但是在時間延遲範圍內另一個探測器卻沒有收到時，科學家們就該想想這個引力波信號是真是假了[6]。

真正的LIGO觀測始於2002年，結束於2010年。在頻率為100Hz處，LIGO的靈敏度已經達到1/1021，相當於LIGO能分辨出一根長4千米的臂極其微小的長度變化（10-18米，比電子還要小近千倍）。理論上，LIGO可以看到的引力波現象包括：距離我們幾十萬光年之外的兩顆中子星繞轉靠近直至併合過程所發出的引力波，超新星爆炸或伽馬射線暴產生的爆髮式引力波，以及宇宙早期演化中殘留下的引力波信號等。但歷時9年LIGO並沒有直接探測到引力波。LIGO將被升級版本「Advanced LIGO」替代，靈敏度將提高至原來的10倍多。

引力波探測的空間計劃

包括LIGO在內的地面上激光干涉探測器在低頻率波段的靈敏度受到實際臂長和地面雜訊的影響。不同頻率範圍的引力波對應的天體過程一般也不同，例如低頻率的引力波可能來自於銀河系中緻密雙星系統，其它星系中的雙黑洞或者一顆不斷繞轉靠近超大質量黑洞的小質量緻密天體等[7]。

為了直接探測到低頻率的引力波，2000年，歐洲航天局（ESA）宣布將與美國航空航天局（NASA）合作共同實施「激光干涉空間天線（Laser Interferometer Space Antenna, LISA）」計劃，預計發射3艘宇宙飛船，構建一個邊長為500萬公里的巨大三角形，飛船運動的軌道類似地球繞日的軌道。2011年4月8日，NASA宣布由於資金問題選擇退出，隨即ESA進行調整，作出了新的eLISA計劃，三角形的邊長從原來的500萬千米調整至100萬千米，暫定於2034年發射衛星。[8]

立足國內，放眼世界

1970年代，著名物理學家周培源教授發表文章指出要重視基礎物理研究，要在中國開拓關於引力波的探索。從北京到廣州的科學家們積極行動了起來。

中山大學引力物理研究室建設了引力波探測器，其測量靈敏度也位處國際同類探測棒水平前列。1979年7月，中山大學的陳嘉言教授在第二屆格拉斯曼廣義相對論國際會議上作了報告，介紹中國的引力波探測工作的進展，得到了國際同行的由衷認可[9]。

1980年代末，曾經活躍在引力波探測領域的專家或退休、或轉行，該領域逐漸被放棄，近乎空白了十多年。

2008年，在中科院力學所國家微重力實驗室胡文瑞院士的推動下，中科院多個研究所及院外科研單位共同成立了科學院空間引力波探測工作組，開始探索中國空間引力波探測的可行性。這一項目被列入中科院空間科學2050年規劃。

2014年3月，天琴空間科學任務的概念被提出，其主要科學目標是直接探測愛因斯坦廣義相對論預言的引力波以及精確測定後牛頓參數。

隨後，第一屆天琴空間科學任務研討會於12月8日至9日在華中科技大學引力實驗中心召開。來自莫斯科大學、中科院、中科大、紫金山天文台、東方紅衛星公司、華中科技大學等40餘位專家學者參與研討，重點討論天琴空間科學任務的科學目標、關鍵技術以及計劃安排。

今年5月17日，第二屆天琴空間科學任務研討會在中山大學珠海校區舉辦，胡文瑞院士，中國科學院武漢物理與數學研究所葉朝輝院士，中國科學院院士、中山大學校長羅俊，副校長馬駿等重量級專家等出席會議，來自俄羅斯莫斯科大學以及國內多個高校、研究單位的近50名專家學者參與討論。該研討會正式啟動天琴計劃的立項申請工作。

根據目前的設想，」天琴計劃「主要將分四階段實施：第一階段完成月球/衛星激光測距系統、大型激光陀螺儀等天琴計劃地面輔助設施；第二階段完成無拖曳控制、星載激光干涉儀等關鍵技術驗證，以及空間等效原理實驗檢驗；第三階段完成高精度慣性感測、星間激光測距等關鍵技術驗證，以及全球重力場測量；第四階段完成所有空間引力波探測所需的關鍵技術，發射三顆地球高軌衛星進行引力波探測。

天琴項目還處於起步階段，勢必面臨著諸多挑戰。但挑戰意味著機遇，相信天琴空間計劃的順利開展，將推動面臨挑戰的這些領域向前進步，當然也讓中國的引力波探索更上一層樓。

此前諮詢清華大學曹軍威老師時，請他衷心送給天琴計劃三句話（兩條建議和一條祝福），他認真地作出回復。最後謹借他的話結束此文： 中國在引力波探測方面的工作是空白，任何相關努力都值得鼓勵，建議一個是要腳踏實地從培養人才入手，國內真正懂引力波實驗的學者屈指可數；另外就是要有開放合作的心態，充分借鑒國際上已有的研究和實驗成果，而不是故步自封。祝願「天琴」計劃早日成功實施。

參考資料：

[1] Einstein A. 1996, Annalen der Physik, 49, 769

[2] 俞陶然. 2014, 解放網，http://www.jfdaily.com/jizhe/201410/t20141013_854027.html

[3] Weisberg J M, Nice D J, Taylor J H. 2010, ApJ, 722, 2

[4] Weber J. 1969, Phys. Rev. Lett.，22, 1320

[5] Gertsenshtein M E, & Pustovoit V I. 1962, 43, 605

[6] 「LIGO - Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory」, LIGO project homepage

[7] Amaro-Seoane P, et al.2012, Class Quantum Grav., 29, 124016

[8] 「Measuring Gravitationial Waves」, eLISA Project homepage

[9] 於達維. 2015, 財新網，http://china.caixin.com/2015-07-23/100831958.html