兩年後即獲諾獎！雖然快，但引力波探測眾望所歸

2017年的諾貝爾物理學獎終於在北京時間10月3日下午5點45分塵埃落定，瑞典皇家科學院決定將物理學獎頒發給Rainer Weiss(萊納·魏斯)、Kip Thorne(基普·索恩)以及Barry Barish(巴里·巴里什)三位科學家，以表彰他們「對LIGO探測器以及首次觀測到引力波做出的決定性貢獻(for decisive contributions to the LIGO detector and the observation of gravitational waves)」。

其中，Rainer Weiss分享一半的獎金，另外兩位科學家分享剩下的一半獎金。

在我們的固有印象中，一個發現/成果從出來，到獲得諾獎，往往中間隔著很長時間，每位得獎人都想唱那句「等了好久才等到今天」。而自2015年9月14日LIGO宣布首次探測到引力波，時間僅僅過去兩年，可以說是最快獲得諾貝爾獎的物理學發現之一。不過這也更加說明了這一發現的重要性，和它獲獎的眾望所歸。

圖1

LIGO憑什麼獲獎

一百年前，愛因斯坦根據廣義相對論求解場方程得到波的解，預言了引力波的存在。

一百年後的2015年9月14日，LIGO宣布首次觀測到引力波。

此次引力波來自13億光年以外的兩個黑洞的碰撞融合，從引力波產生到被地球上位於美國的LIGO探測器檢測到，引力波走了約13億年的時間，真正可謂是「穿越時空的相遇」。

雖然引力波到達地球已經變得非常微弱，但是這一發現卻開啟了天體物理和宇宙學的重大革命。引力波以一種全新的方式展示了宇宙中的劇烈的天體變化，對我們已有的知識邊界是一個全新的挑戰。

LIGO(the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,激光干涉儀引力波觀測天文台)是一個由超過20個國家的上千名研究人員所組成的合作組。在這些研究者的共同努力下，該計劃成功得走過了將近50年。2017年的諾貝爾物理學獎的桂冠，屬於這些對科學充滿熱情、毅力以及創造力的科學家。

其中，Rainer Weiss(萊納·魏斯)、Kip Thorne(基普·索恩)以及Barry Barish(巴里·巴里什)這三位先驅者的貢獻格外突出，正是在他們的領導之下，才保證了LIGO計劃超過四十年的運行完成，並最終成功觀測到引力波。

早在20世紀70年代中期,Rainer Weiss就分析了在探測引力波的過程中可能受到的宇宙背景雜訊的干擾,並且設計了一台激光干涉儀探測器,用以消除雜訊。而更早的時候, Kip Thorne和Rainer Weiss就堅持認為引力波一定能夠被探測到,並且會給我們現有的宇宙學知識帶來革命。

在愛因斯坦的廣義相對論的描述中,引力波以光速在宇宙中傳播。非球對稱的超大質量天體在加速運動下或者大質量體系的質量分布發生變化時就會產生引力波，比如遙遠星系的恆星的爆炸或者一對黑洞相互繞轉碰撞融合這樣極其劇烈的天體物理過程。

在引力波傳播的過程中,四維時空會在其作用下輕微擾動，引力波的本質是時空曲率的波動, 就像鵝卵石扔進池塘里激起的漣漪一樣,因此引力波也被稱為「時空的漣漪」。

圖2 第一個被探測到的引力波信號

由於引力波傳到地球後引起的空間畸變非常微小,有人做過形象的比喻,好比是測量10光年以外的恆星的確切距離,要求達到的精度是頭髮絲的直徑大小,也就是說在10光年這麼遠的時空範圍內,引力波引起的空間拉伸或者壓縮只有頭髮絲的直徑大小。

因此,就連愛因斯坦本人都堅信永遠也不可能探測到引力波。而LIGO卻做到了！

LIGO實驗組用一對非常巨大的激光干涉儀,成功檢測到了當引力波經過地球時所引起的不足原子核大小的千分之一的空間畸變。

到目前為止,人類使用各種手段來探測宇宙中的電磁波和粒子,比如各種宇宙射線以及中微子,以此來探索宇宙的奧秘。而引力波的探測是直接探測時空本身的擾動。這是天體物理和宇宙學研究的革命性變化,將為我們帶來更多來自宇宙的訊息,為我們帶來全新的宇宙觀。

引力波的前世今生

1915年，36歲的愛因斯坦(Albert Einstein,1879.3.14-1955.4.18)建立場方程，發表廣義相對論。

牛頓的引力理論是建立在絕對時空觀基礎上的，廣義相對論則建立在四維時空觀上，引力是物體質量對於周圍時空產生影響的自然結果。

1916年，卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)找到了引力場方程的一個解，後來被用來解釋黑洞。

黑洞是質量巨大的天體，任何靠近它的物體都會被吞噬掉，甚至是光線經過也會被吞噬，所以黑洞不會發光，我們「看不到」。

1916年，愛因斯坦本人找到了場方程的一個波的解，預言了引力波的存在。

廣義相對論認為,時空是可以彎曲的，物體的質量會造成其周圍時空的彎曲，質量越大，時空彎曲程度也越大，但是只有在特別大質量的物體周圍才會產生比較明顯的時空彎曲。

比如恆星發出的電磁波在經過太陽的時候會發生小角度的彎折，這就是一個時空在大質量物體周圍發生彎曲的例子；質量分布非球對稱的物體在加速運動時，或者體系質量發生變化時，也會產生引力波，比如遙遠星系的恆星的爆炸或者一對黑洞相互繞轉碰撞融合這樣極其劇烈的天體物理過程。

產生的引力波傳播，就是時空曲率波動的傳播。這一時空的畸變，從產生源頭以光速向外傳播。原則上講，只要探測器足夠靈敏，當引力波到達地球時就能夠被探測到。

但是，引力波引起的可探測的效應實在是太微弱了！

因此，愛因斯坦本人認為，引力輻射永遠也不可能被直接探測到。

和他同時代的物理學家亞瑟·愛丁頓(Arthur Eddington,1882.12.28－1944.11.22)雖然是廣義相對論的堅定支持者，並在1919年的日食中首次測定了光線經過太陽時的偏折，從而證明了廣義相對論的正確性，卻一直十分懷疑引力波的存在，並且指出引力波似乎是「以思維的速度在傳播(to propagate at the speed of thought)」，

圖3 左：1921年的愛因斯坦；右：1919年愛丁頓拍攝日食照片

在過去的六十多年中，許多物理學家為了探測和證明引力波的存在而做出巨大的努力，並且率先找到了引力波存在的間接證據。

1974年，美國天文學家約瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)和拉塞爾·赫爾斯(Russell Hulse)利用大型射電望遠鏡觀測到了一對極緻密的天體系統——脈衝雙星系統PSR1913+16。

他們觀測到，系統中的雙星繞質心轉速在加快，並且不斷丟失能量，軌道半長軸不斷縮短，靠得越來越近。而PSR1913+16的能量隨時間丟失的大小和利用引力波輻射計算得到的能量丟失的結果一致。

Joseph Taylor和Russell Hulse於1993年獲得諾貝爾物理學獎，獲獎的理由是「由於其發現了一種新型脈衝星，這一發現開啟了研究引力作用的新的可能性(for the discovery of a new type of pulsar, a discovery that has opened up new possibilities for the study of gravitation)」。這也是很多人說今年是「引力波第二次獲獎」的原因。

然而，間接證據的存在並不能使物理學家們滿足，他們更希望能夠得到引力波存在的直接觀測證據。

第一個引力波直接探測的實驗嘗試可以追溯到20世紀60年代。

突破源於Hermann Bondi的一篇文章，以及在1957年的北卡羅來納州查珀爾希爾(Chapel Hill, North Carolina)的一次會議上費曼(Richard Feynman)描述的一個思想實驗(thought experiment)。

在這個思想實驗中，費曼認為引力波會引起套在桿上的圓珠的運動，而圓珠運動會摩擦生熱。這一思想實驗提出的引力波的可觀測效應說服了在場的很多專家，並且觸發了當時在場的來自馬里蘭大學的約瑟夫·韋伯(Joseph Weber)的靈感。

JosephWeber第一個設計製作了被稱為「共振棒探測器(resonant-mass bar detector)」的引力波的直接探測器。

由於廣義相對論預測，通過的引力波會對時空造成畸變，身處其中的物體由於時空畸變產生應變，因此Weber製作了一根長約2米、直徑約0.5米、重約1.5噸的圓柱形金屬鋁棒。當引力波到達時，會交錯擠壓和拉伸鋁棒兩端，並且當二者頻率一致時，達到共振，應變達到最大，貼在鋁棒表面的壓電晶體會產生壓電信號，記錄力學形變。鋁棒懸掛在真空罐中以隔絕潛在的雜訊。鋁棒設計的共振頻率為1657Hz。

1965年，設備開始運行，在1966年，Weber聲稱看到了第一個引力波事例，並在1969年報道兩個相距1000公里的探測器同時探測到了引力波事件，並發表了題為「發現引力輻射存在的證據(Evidencefor discovery of gravitational radiation)」的文章。

圖4 Joseph Weber和他設計的共振棒引力波探測器

Weber的先驅性工作以及結果極大地鼓舞了歐美的物理學家，大家紛紛設計建造共振棒探測器，然而不幸的是，新的結果顯示並沒有探測到引力波，70年代中期，大部分科學家認為Weber的結果並不可靠。

現在分析來看，共振棒探測器有兩個缺陷：一個是固定的共振頻率，只有當探測到的引力波與共振棒的頻率一致時，才能夠產生共振；第二個是短距離的共振棒所產生的應變(量級為10-21)極小，以當時的技術條件，根本探測不到。

但是，Weber的裝置給了物理學家們啟發和希望，新的技術和思路出現了：低溫共振探測器和干涉儀。低溫共振探測器是被冷卻到接近絕對零度以提高靈敏度的探測器；而干涉儀不同於共振棒單一的共振頻率，它具有很寬的共振頻譜。

LIGO(the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,激光干涉儀引力波觀測天文台)是現有最大的、最靈敏的干涉儀。

自2002年起，LIGO開始獲取數據,並且隔一段時間就進行一次升級以提高其探測靈敏度。最近的一次升級後，升級版LIGO(Advanced LIGO)在2015年夏季末投入使用，僅僅是幾個星期以後的9月14日，LIGO就探測到了第一個置信度高達5.1倍標準差的引力波事件GW150914，這次引力波是源於距離地球13億光年以外的兩個黑洞的碰撞融合。

這一突破性發現再次證明了廣義相對論的預言，不僅探測到了引力波，還觀測到了黑洞，並且提供了研究和探測黑洞的手段。

之後又有三次重要的引力波事件被探測到，分別是LIGO探測到的GW151226、GW170104事件和VIRGO探測到的GW170814事件。

LIGO探測器

早在20世紀60年代，來自前蘇聯的兩位物理學家赫爾岑施泰因(Mikhail Gertsenshtein)和普斯托沃伊特(Vladislav Pustovoit)就最初構想了用類似於邁克爾遜干涉儀(Michelson interferometer)的儀器來探測引力波。

邁克爾遜干涉儀是十九世紀末美國物理學家邁克爾遜(Albert Michelson)和莫雷(Edward Morley)為證明「以太漂移」而設計製作的精密光學儀器，原本為證明以太存在而設計的儀器最後證明以太不存在，並最終導致了相對論的產生。

現在，這一儀器的原理又被用來設計驗證相對論的預言引力波，這真是命運的羈絆啊!

幾年後，前蘇聯科學家的思路被Weber和他原來的研究生馬利布休斯實驗室(Hughes Aircraft Research Laboratories, Malibu, California)的福沃德(Robert L.Forward)重拾並製造了第一台引力波激光干涉儀的原型機。

與此同時，MIT的Rainer Weiss在1967年也發展了這一思路，並且開發了一台靈敏度有限的激光干涉儀。

圖5 邁克爾遜干涉儀光路圖

我們以LIGO探測器為例來說明利用激光干涉儀探測引力波的原理。

探測器由兩個等長的探測臂正交組成。入射激光經過分束鏡送入兩個探測臂,激光在到達探測臂末端由末端反光鏡反射回來,如果兩臂完全相等,則反射回來的激光在分束鏡重新相遇會發生干涉相消。

當有引力波到達探測器時,會造成一臂被拉伸,而與之正交的另一臂則被壓縮,這樣造成兩臂不等長,反射回來的激光在分束鏡處相遇時就不會發生干涉相消,剩餘的光信號進入光子探測器,這樣就證明了引力波的存在。

激光干涉儀探測引力波信號的優勢顯而易見,一個是干涉儀的探測頻率頻譜較寬,這樣就增加了探測到引力波信號的概率,另外一個是干涉儀可以探測到極微小的形變,而且正交的兩臂一個伸長一個縮短相當於將形變數擴大了2倍。

圖6 LIGO探測器的簡化結構圖

圖7 LIGO如何探測13億光年以外的兩個黑洞融合產生的引力波

從20世紀90年代起，世界各地開始紛紛興建一些大型激光干涉儀來探測引力波。

已經建成的有：

位於美國路易斯安那州利文斯頓(Livingston, Louisiana)臂長為4千米的LIGO(L1)和位於華盛頓州漢福德(Hanford, Washington)臂長為的4千米的LIGO(H1),分別由加州理工(CalTech)和麻省理工(MIT)運營；

位於義大利比薩附近，臂長為 3千米的VIRGO；

德國漢諾威臂長為600米的GEO；

日本東京國家天文台臂長為300米的TAMA300。

引力波事件代表了什麼

1.LIGO探測到的引力波事件GW150914表示的是：

圖8 GW150914引力波事件代表的物理含義

位於地球13億光年以外的兩個分別為29個太陽質量大小的黑洞和36個太陽質量大小的黑洞融合成為一個62個太陽質量大小的黑洞，丟失的3個太陽質量在不到一秒鐘的時間內以引力波的形式輻射了出去。

這兩個黑洞在宇宙早期產生，並且相互繞轉，在相互繞轉的過程中，產生的引力波會攜帶走一部分能量，從而引起黑洞能量丟失，兩個黑洞越來越靠近。

而兩個黑洞的靠近會引起加速繞轉，加速繞轉又導致引力波源源不斷地攜帶能量傳播到宇宙中的其他地方，這樣持續了數百萬年。

到最後，兩個黑洞視界接觸，在不到一秒的時間內相互吞噬掉對方，並且不斷搖擺僵持，最終形成一個更大的黑洞。當它們融合之後，搖擺結束，只剩下一個獨自旋轉的黑洞，重歸寂靜。

融合時釋放的巨大能量的引力波，這一峰值功率超過了可觀測宇宙中所有恆星的光度總和還高10倍以上，在歷經13億年的時間，到達地球。

不過，在經歷了漫長的時空穿梭之後，衰減後的引力波所引起的形變數不到原子核大小的千分之一，就是這麼微小的形變，證明了引力波的存在！

2.LIGO探測到的引力波事件GW151226表示的是：

距離地球14億光年的兩個質量大小為14.2個太陽質量和7.5個太陽質量的黑洞融合為20.8個太陽質量的黑洞所輻射的引力波。

3.LIGO探測到的引力波事件GW170104表示的是：

距離地球30億光年的兩個質量大小為31.2個太陽質量和19.4個太陽質量的黑洞融合為48.7個太陽質量的黑洞所輻射的引力波。

4.VIRGO探測到的引力波事件GW170814表示的是：

距離地球18億光年的兩個質量大小為31個太陽質量和25個太陽質量的黑洞融合為53個太陽質量的黑洞所輻射的引力波。

圖9 LIGO探測器的位置及實地圖片，相距不遠的探測器可以起到互相驗證的作用，同一引力波事件應該被兩個LIGO差不多同時檢測到

為什麼說引力波的發現具有重大意義？

首先，愛因斯坦的廣義相對論所預言的引力波和黑洞都已經找到；其次，引力波成為研究黑洞的手段，黑洞性質的研究對於我們認識宇宙有著深刻的意義；而且，黑洞融合這一劇烈的天體事件，會不會產生新的物理，也十分令人期待！

最後，引用加州理工學院LIGO天文台的執行官雷茨(DavidH. Reitze)的一句話作為結語，「這項探測是一個是時代的開始：引力波天文學研究領域現在終於不再是紙上談兵」。

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