引力波來襲

北辰

誰都不會想到，2016年的第一次刷屏會來得這麼迅速、這麼突然。而且，刷屏的還是那麼一個艱深晦澀的專業辭彙————引力波。

正月初五是中國傳統迎財神的日子。但2016年的這一天，不僅中國，全世界的物理學界都沸騰了，彷彿迎來了它們的「財神」——被預言已經百年的引力波，終於被探測到了。一位物理學家甚至這樣形容自己的心情：「在新聞發布會上，我的心中就暖流涌動，那是一種強烈的感動，感動到想哭的感覺。」

相信大家都已經被各種社交媒體上的「引力波」洗腦了，可能你已經了解了什麼是引力波，但為什麼探測到它需要百年努力？它又能給世界帶來什麼？

黑洞的合併和LIGO探測到的引力

相對論的一百年

1916年，偉大的愛因斯坦正式發表相關論，這是關於時空和引力的理論。相對論顛覆了人類對宇宙和自然的常識性觀念，提出了時間和空間的相對性。它涉及到四維時空和彎曲空間等全新的概念，把我們的認知提升到了一個新的高度。

在此後的100年時間裡，相對論獲得了巨大的發展，它所預言的科學原理一個個被驗證：光線彎曲被證明了，時間變慢也被證明了，而且還應用在GPS定位系統……但是，相對論還缺乏最重要的一項驗證，那就是引力波是否存在。

2016年，相對論發表一百周年之際，物理學家最大的期盼就是找到引力波，讓相對論變得十全十美，以此作為向愛因斯坦獻上的一份厚禮。

今天，即便是最不相信這位老頭言論的人恐怕也不得不承認，引力波的出現讓愛因斯坦贏得了徹底的勝利。儘管他的相對論與牛頓的的經典力學存在著一些抵觸，儘管引力波屬於相對論的範疇，但引力波依然在相對論與經典力學將架起了一座橋樑，讓兩者相互包容，也讓相對論變得十全十美。

黑洞合併產生的引力波向外界擴散

有人說，愛因斯坦不是地球人，他那個偉大的頭腦屬於擁有高智慧的外星人。現在看來，這番評價也許並不誇張，愛因斯坦讓我們對時間、空間，以及對宇宙，有了全新的認識。引力波的發現，給地球帶來了巨大的震動，這不僅涉及到科學本身，同樣也波及了人類心中固有的觀念。

早在20世紀60年代，美國人就打造了第一架實際投入應用的引力波探測器——一個鋁質實心圓柱。隨後，更為高級且複雜的鋁質圓柱形探測器也出現了。不過，它們並沒有提供什麼實質性的探測結果。20世紀70年代之後，美國的激光干涉引力波探測器開始登場，幾乎與此同時，法國和義大利也建造了一個類似的探測設備。

如果說鋁質實心圓柱是第一代引力波探測器的話，那麼激光干涉引力波探測器就屬於第二代。此次找到引力波的就是激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO），這是分別位於美國路易斯安那州的列文斯頓和華盛頓州的漢福德的兩個引力波探測器。

1991年，麻省理工學院與加州理工學院在美國國家科學基金會（NSF）的資助下，開始聯合建設激光干涉引力波天文台（LIGO）。1999年11月，LIGO建成，耗資3.65億美元。2005-2007年，科學家對它又進行了升級改造，採用了更高功率的激光器，以及更為強大的減振器。但在此期間，LIGO並未能找到引力波存在的可靠證據。直到2015年，最新的激光干涉引力波天文台正式上線，來自十多個國家，超過1000名科研人員參與了該設備的運作。針對LIGO所做的不斷升級改造，終於讓人類如願以償。

激光干涉引力波天文台主要部分是兩個互相垂直的長臂，每個臂長4000米，並架有大量的反射鏡。激光在反射鏡中來回發射，就會形成干涉條紋，當有引力波穿過時，一個方向的空間便會被拉伸，而與之成一定角度的另一個方向的空間則會被壓縮。出現這樣的情況會導致反射鏡發生細微角度的旋轉，致使反射鏡間的距離發生變化，也就是說，正是這些改變證明了引力波的存在。不過，這樣的變化其實是非常細微的。當引力波來臨時，即便是地球這樣的龐然大物，它直徑的變化也只會是一個原子那麼大小而已，因此，探測器必須極其靈敏。

也許有人會猜想，究竟這次發現引力波是哪一處探測器的功勞。事實上，兩個探測器都探測到了引力波，而且數據一致，因此結果非常可靠。

當然，科學家並沒有因為發現了引力波就輕易滿足，為了避免地面干擾，他們還準備將引力波探測引入空間時代。一個由美國宇航局和歐洲空間局聯合承擔的，名為激光干涉太空 天 線（Laser　Interferometer Space Antennaa，LISA）的項目，已於2015年12月3日正是發射升空，這是人類第一座太空中的引力波天文台。

伴隨著探測技術的發展，探測設備開始升入宇宙空間，尋找引力波的科學競賽規模越來越大，參與者越來越多。

激光干涉空間天線（LISA）是一個由NASA和ESA合作的引力波探測計劃。它將是人類第一座太空中的引力波天文台。

儘管人類搜尋引力波的步伐從未停止，但在這條道路上，我們建造了太多的設備，走過了太多的彎路。

早在1916年，愛因斯坦在提出廣義相對論時就預言了引力波的存在，同時他也認為引力波非常微弱，人類可能永遠無法探測到它。探測引力波的難度確實非同一般，在2016年之前，廣義相對論中預言的其他科學效應被科學家一個個檢驗出來，而引力波，至多只是發現了有關的蛛絲馬跡。

1973年，科學家發現了一對雙脈衝星——PSR1913+16，它們彼此靠得很近，相互繞轉。科學家認為，它倆會越靠越近，最終融合在一起。實際觀測證明，這對雙星的引力波輻射導致了系統動能損失，進一步表現為雙星軌道周期的逐漸減小，而減小的程度符合了科學家的理論計算，這間接證明了引力波的存在。

LISA將被放置在距離地球150萬千米的日-地拉格朗日L1點

而在地球南極，人類還有一個望遠鏡從微波角度研究宇宙，這種研究叫做宇宙泛星系偏振背景成像（BICEP）。雖然這個研究並沒有觀測到激烈天體運動產生的引力波，但是它卻找到了宇宙大爆炸之時產生的引力波——原初引力波！原初引力波歷經137億年，至今仍在宇宙中回蕩。它們會在宇宙微波背景上留下印跡，讓宇宙微波背景輻射產生偏振，並形成螺旋狀的特殊形態，這種偏振名為B模式偏振。

美國路易斯安那州利文斯頓市的激光干涉引力波天文台。

當時，科學家曾為此興奮不已，並很快宣布發現了原初引力波。但最終證明，數據的微小波動可能只是源於設備出現的一次故障。

正因為設備可能出現故障，此後人們對是否存在引力波的求證更為謹慎。其實從2015年9月開始，坊間就有大量有關LIGO探測到引力波的傳言，但鑒於引力波的特殊身份和重大意義，以及南極望遠鏡之前鬧出的烏龍事件，激光干涉引力波天文台項目組一直沒有對此給出過明確答覆。直到今年2月12日（北京時間），經過了近半年時間的嚴格論述和驗證，美國國家科學基金會才正式宣布，他們發現了由兩個黑洞於13億年前相互撞擊引發的引力波。

在蒼茫浩瀚的宇宙中，地球這顆星球是非常奇妙且獨特的，它孕育了人類這樣的高級動物。人類藉助五官，可以了解周圍的事物，但這範圍顯然還很小，我們對於宇宙的感知能力明顯不足。於是，人類又發明了各種各樣的探測器，以此認識更為寬廣的環境。

LIGO設施工作原理圖

在最近的十幾年中，我們的天文探測技術越來越高，不僅光學望遠鏡獲得了很多其他技術的支持，變得越來越強大，在電磁波的其他方面，我們也都取得了較大的發展——紅外線望遠鏡、紫外線望遠鏡、X射線望遠鏡、伽馬射線望遠鏡相繼出現。它們的出現雖然宣告著天文學已經進入到了全波天文學時代，但按照物理學理論，這並不是探測宇宙的全部窗口，還有另外兩扇天窗亟待打開，它們是不屬於電磁波範疇的中微子和引力波。

當相對於我們來說的宇宙深處發生激烈的變化時，不僅會產生中微子，也會產生引力波。如果僅憑電磁波探測宇宙，顯然無法全面了解它的精彩。

1987年，探測器探測到超新星1987A的爆發，人類終於藉此打開了中微子探測這扇天窗。按照道理，當時的引力波探測器也該接收到超新星爆發的訊息，但是探測器卻毫無反應，引力波這扇天窗遲遲不能打開。

如今，我們終於發現了引力波，終於擁有了另一種觀測宇宙的工具。在發現引力波之前，我們在宇宙中只能算是聾啞人，一直在推測宇宙「聲音」的存在，而今則真正聽到了聲音。引力波是一種方式，一種看待宇宙的全新方式。

極端宇宙事件是引力波產生的源頭。

如果我們把宇宙空間想像成一塊布匹，那麼任何一顆星球都會在這塊布匹上壓出凹坑。當然，凹坑的大小是和其質量成正比的，質量越大，引力越大，壓出的凹坑也就越大。因此我們不難想像，如果某個或某些天體發生了劇烈的運動，比如爆發或者撞擊，那麼這塊布匹也會隨之發生顫動，這種顫動就是引力波（當然，這種顫動是在球面上發生的，而非平面）。儘管引力波會像水波那樣蕩漾，在宇宙中泛起漣漪，但作為宇宙中的滄海一粟，可憐的人類完全感覺不到這種變化——第一，我們在跟著布匹做相對顫動；第二，這種顫動實在太過微小，我們完全無感。

按照廣義相對論，只有發生極端宇宙事件才會產生引力波，這種極端宇宙事件在我們的銀河系內平均每1萬年才會發生1次。不過在廣袤的宇宙中，天體發生激烈運動的機會還是很多的，超新星的引力坍縮、大爆炸留下的背景輻射、脈衝星的自轉，以及其他星系內的超大質量黑洞的合併等都會發出引力波。而這次，人類探測到的引力波就來源於13億年前兩個黑洞的大碰撞。

13億年前，在遙遠的宇宙中，有一對黑洞相互繞轉。它們圍繞著公共的引力中心環繞著對方運動，就像是跳探戈一樣。不過，它們的旋轉速度卻越來越快，軌道越來越小，最終發生碰撞，合併成了一個大黑洞。這次震撼宇宙的大爆炸，產生了強大的引力波，它們向四周飛速擴散，亟不可待地向全宇宙宣布這個合併消息。

原本這兩個黑洞的質量分別是26和39個太陽質量，合併之後則是62個太陽質量。其中，有3個太陽質量的物質在那一瞬間灰飛煙滅，它們化身為其他能量和引力波。其他能量逃不出黑洞的引力，被黑洞重新吸收，只有引力波逃出了黑洞的束縛。這一波新的宇宙漣漪以光速穿過無數的星系和星球，終於在13億年後，來到了地球。

13億年前，地球上還只有低等的藻類，可現在已經有了人類，而人類也僅僅只是在100年前預感到宇宙中可能存在引力波。儘管如此，人類還是煞費苦心，建造了激光干涉引力波天文台這樣的精密設備來迎接它們。就在這看似荒誕的故事中，兩個相距3000千米的設備，在7毫秒內，都接收到了引力波，而這個引力波源就被稱為GW150914——2015年9月14日（更具體的時間是17點50 分45秒），就是在這個歷史性的時刻，地球人類首次探測到引力波，地球聾人首次聽到了宇宙中的大動靜。

引力波GW150914的先頭部隊在經過探測器時，讓它的頻率在0.2秒內從35赫茲迅速增加到150赫茲，並在記錄紙上留下了曲線。這個數據告訴我們，在短短的0.2秒內，黑洞的繞轉速度從每秒35圈迅速提高到每秒150圈，這個速度也就是兩個黑洞發生撞擊前的最終速度。

儘管地球周圍已然恢復了平靜，但GW150914的先頭部隊還在一往無前地奔跑著。也許在宇宙中，存在著仍然相對低等的生物，它們可能完全不知道宇宙中發生的這次大事件。也許，也有比人類更加智慧的生物，它們在兩個黑洞開始繞轉之初，就探測到了微弱的引力波，並推測出了最終撞擊的時刻。也許和它們相比，人類的聽力仍然差得可憐，但至少現在，我們已經能夠聽到來自宇宙的聲音。

歷史的軌跡告訴我們，每當有一扇新的窗口被人類打開時，都會伴隨著至關重要的發現。雖然LIGO的探測能力還非常有限，但它已經為我們撬開了引力波世界的一小道縫隙。播種者在春天撒下種子的時候，經驗會告訴他，豐收就在不久後的秋天。

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