全新天文時代開啟，為何人類要尋找引力波？

美國國家科學基金宣布發現引力波現場。100年前，預測引力波的愛因斯坦或許都無法想像人類可以直接觀測到引力波。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。它將幫助我們驗證1916年愛因斯坦提出的廣義相對論，這意味著時空是可以扭曲的。而找到引力波就意味著打開了全新的宇宙觀察視野。天文學在21世紀將進入引力波天文學時代。困擾世界的百年物理謎題終於解開，這是一個將被歷史銘記的時刻。北京時間2月11日23∶30分美國國家自然科學基金會攜加州理工、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。相關論文，以《合併雙黑洞系統引力波輻射的觀測》（Observation of Gravitaiton Waves from a Binary Black Hole Merger）為題，在《物理評論通訊》（Physical Review Letters）上發表。2015年9月14日協調世界時09∶50∶45，LIGO的引力波探測器同時探測到一個短暫的引力波信號。根據愛因斯坦的廣義相對論，這個信號來自雙黑洞系統的合併。該雙黑洞系統距離地球大約13億光年。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。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。100年前，愛因斯坦預測引力波時恐怕都不曾想到人類能夠真正觀測到引力波。毫無疑問，這是一項世紀發現，證實了愛因斯坦引力理論的最後一項預言。引力波從此由理論上的存在變成事實上的存在。這個發現開啟了物理學的引力波時代，而這僅僅是人類探測引力波的開端，下一步還將期待雙中子星、黑洞中子星碰撞的發現，天文學在21世紀將進入引力波天文學時代。引力波是什麼？

引力波示意圖。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。比如地球圍繞太陽轉動的原因就是因為太陽非常重，導致太陽周圍空間出現巨大變形，如果試圖在巨大的變形周圍以直線運動，你會發現其實是在沿著一個圓運動，這就是軌道運轉。並沒有實際的力拉著行星運轉，僅僅是因為空間的彎曲。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。1915年，愛因斯坦發表廣義相對論論文，革新了自牛頓以來的引力觀和時空觀，創造性地論證了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的框架內，又發表論文論證了引力的作用以波動的形式傳播。為什麼我們要尋找引力波？

兩個正在旋轉合併的黑洞模擬圖。最直接的答案是，它將幫助我們驗證1916年愛因斯坦提出的廣義相對論，這意味著時空是可以扭曲的。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。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。如何探測引力波？

位於華盛頓州漢福德的干涉儀。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是極為微弱，故而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。1990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形排列，利用邁克耳遜干涉儀原理進行測量引力波。L形測量臂很長，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。論文表明此次激光干涉引力波觀測站的兩個干涉儀探測結果一致，引力波傳播速度為光速，來自於兩個黑洞的融合。這次探測信號強度很高，達到5.1西格瑪（超過5西格瑪信號定義為比較確定的發現），黑洞質量分別為36和29個太陽質量，合併後為62個太陽質量。他們甚至探測到了併合以後的振鈴 (ring-down) 信號，它最終變成了一個克爾黑洞 (Kerr)。

位於路易斯安那州的干涉儀。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。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。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。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。
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