《科學大家》| 了解引力波：讓我們從13億年前談起|引力波|科學大家|相對論

　　出品 | 新浪科技《科學大家》

　　撰文 | 施郁 復旦大學物理學系教授 全國量子力學研究會副理事長。

　　2017年10月3日，瑞典皇家科學院宣布，2017年的諾貝爾物理學獎的一半授予雷納·韋斯（Rainer Weiss），另外一半授予巴里·巴里什（Barry Clark Barish）和基普·索恩（Kip Stephen Thorne），以表彰他們「為激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，縮寫為LIGO）以及引力波的觀測所作的決定性貢獻」

　　12天前，9月21日，這三位物理學家剛剛獲得復旦-中植科學獎。復旦-中植獎詳細描述了每位獲獎者的貢獻：

　　「雷納·韋斯（Rainer Weiss）教授：發明的激光干涉引力波探測器是LIGO裝置的基礎。他首次分析了探測器的主要雜訊來源，並領導了LIGO儀器科學的研究，最終使LIGO達到了足夠的靈敏度，在人類歷史上第一次探測到了引力波。

　　基普·索恩（Kip Stephen Thorne）教授：奠定了引力波探測的理論基礎，他開創了引力波波形計算以及數據分析的研究方向，並對LIGO儀器科學做出了重要貢獻，特別是提出了量子計量學理論的一系列基本概念。

　　巴里·巴里什（Barry Clark Barish）教授：領導了LIGO建設及初期運行，建立了LIGO國際科學合作，他把LIGO從幾個研究小組從事的小科學成功地轉化成了涉及眾多成員並且依賴大規模設備的大科學，最終使引力波探測成為可能。」

作者在復旦-中植獎新聞發布會上介紹獲獎科學背景

　　為了理解他們的獲獎成果，讓我們從13億年前談起。

　　13億年前，宇宙中有兩個黑洞相互碰撞，而且併合成一個大黑洞，發出引力波。

　　引力波以光速向四周傳播，經過13億年在各個方向的長途跋涉，於2015年9月14日穿過誕生於45億年前的地球。

　　在地球上，人類的演化歷史，也只不過200多萬年。100年多前，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）聲稱宇宙中存在引力波。

　　2002年， LIGO開始工作，13年後探測到代號為GW150914的引力波，事實上，在這個引力波到達兩天前，升級後的LIGO剛開始工作，9月14日恰好捕捉到它，這是人類第一次直接探測到引力波。

　　波是某種振動的傳播，如水波、聲波等。顧名思義，引力波就是「引力的波」。引力波超越了牛頓引力理論。

　　三百多年前，艾薩克·牛頓（Isaac Newton）說，任何兩個有質量的物體之間存在萬有引力，而且這個引力是瞬時的，也就說，物體之間引力的傳遞不需要時間。牛頓解釋了為什麼地球圍繞太陽轉，為什麼樹上的蘋果會落地。

　　然而愛因斯坦1905年創立的狹義相對論指出，任何信號的傳遞不可能超過光速，時間和空間成為整體，稱為時空。在相互勻速運動的不同觀察者看來，同一事件的時間坐標和空間坐標都不一樣，但是總的時空間隔保持不變。

　　十年之後，愛因斯坦又將引力納入相對論的框架，創立廣義相對論，指出萬有引力就是時空的彎曲，由此決定物質的運動。用索恩的導師、美國著名物理學家約翰·惠勒（John Wheeler）的話說，

　　「物質告訴時空如何彎曲；彎曲的時空告訴物質如何運動。」

　　物質之間的引力，需要時間來傳遞。

星體（比如太陽與地球）之間的引力來自時空的彎曲，圖片來自LIGO

　　這就好比在席夢思床墊上，一個物體引起床墊變形，變形向四周傳遞，導致另一個物體受力情況的改變，似乎受到前一個物體的吸引力。這個床墊扮演了類似時空的角色。

　　1916年，愛因斯坦根據廣義相對論，預言了引力波。

　　引力源質量分布的改變，導致它對其他物體引力的改變，這種改變以光速傳播開來，就是引力波。既然引力是時空彎曲，那麼引力波也就是「時空的漣漪」，即時空彎曲情況隨時間變化、在空間傳播。引力波到達之處，在垂直於傳播方向的平面上，任何長度都會振蕩，而且在互相垂直的任意兩個方向上步調相反。這些都是廣義相對論的預言，所以引力波的觀測也就驗證了廣義相對論。

　　通常物體間的引力很弱。但宇宙天體的質量巨大，所以它們之間的引力很大。理論表明，引力波主要來自宇宙中的超新星爆發、中子星和黑洞等緻密天體以及宇宙大爆炸。

　　引力波很難探測，因為最強的引力波導致的相對長度變化也只有0.0…01（其中小數點後面有21個0）。

　　1974年，拉塞爾?赫爾斯（Russel Alan Hulse）和約瑟夫?泰勒（Joseph Hooton Taylor）發現引力波導致一個中子星和與之互相環繞的伴星之間的距離越來越小，因此獲1993年諾貝爾物理學獎，但直到2015年，引力波還沒有被直接探測到。

　　引力波如何被探測到？

　　LIGO的探測原理基於激光干涉。LIGO包括兩個同樣的探測器，它們相距3002公里，分別位於美國華盛頓州與路易斯安那州。兩個探測器共同工作，可排除其他信號，比如地震。每個探測器是一個巨大的邁克爾遜干涉儀，有兩個互相垂直的、約4公里長的臂，構成L-形。一束激光分成兩束，分別進入兩臂。在每個臂中，激光被兩端的鏡子來回反射多次。最後兩束激光再疊加起來，這就是干涉。干涉的光強決定於兩臂長度差，所以用來測量兩臂長度差。

相距3002公里的兩個巨大的邁克爾遜激光干涉儀，圖片來自LIGO。

　　引力波經過探測器時，每個臂的長度都時長時短地振蕩，而且步調相反，一個臂變長時，另一個變短。所以兩臂長度差也在振蕩，從而激光干涉的光強也在振蕩。由此就可以反推出引力波的性質。

　　2015年9月14日，LIGO測到，干涉儀的臂發生了0.0……04米的長度改變（小數點後面18個0）。作為人類歷史上最精密的測量，這裡的測量技術與量子物理相關。

　　2016年2月12日，LIGO合作組宣布，他們於2015年9月14日探測到了引力波，它來自一個質量為36太陽質量的黑洞與一個29太陽質量的黑洞的碰撞，然後併合為一個62太陽質量的黑洞，失去的3太陽質量轉化為引力波的能量。「太陽質量」是天體質量的單位，1個太陽質量意思就是說，它的質量等於太陽的質量。

　　2015年12月26日和2017年1月4日，LIGO又先後兩次探測到黑洞併合產生的引力波。這次諾貝爾獎宣布6天前，9月27日，LIGO和靠近義大利比薩的引力波天文台VIRGO宣布， 2017年8月14日，LIGO和VIRGO共同探測到另一次黑洞併合產生的引力波。

　　這次諾貝爾獎宣布13天後，10月16日，LIGO和VIRGO又宣布，今年8月17日，他們第一次觀測到兩個中子星併合產生的引力波。這個事件還產生了短伽馬射線爆，被費米和INTEGRAL這兩個空間望遠鏡上的伽馬射線探測器探測到。 全球70多個各個電磁波波段的望遠鏡對這個伽馬射線爆的餘暉進行了觀測，確定它位於長蛇座的星系NGC4993。

　　LIGO探測到引力波，意義不僅在於直接驗證廣義相對論預言的引力波的存在，還在於開啟了對強引力、隨時間變化的引力以及黑洞的直接觀測，打開了認識宇宙的一個新窗口。在這之前，我們關於宇宙的信息來自宇宙中傳來的電磁波和粒子，如宇宙線和中微子，而引力波帶來了主宰宇宙的引力的直接信息。引力波天文台與傳統天文望遠鏡協同觀測中子星併合表明，引力波和電磁波的探測可以協同進行，標誌著多信使天文學的開始。

　　很多科學家對LIGO的成功作出了貢獻。特別一提的是，最早提出用激光干涉儀探測引力波並作雜訊分析的韋斯、對激光干涉儀的穩定性作出重要貢獻的德雷弗、對引力波探測和LIGO作了很多理論工作的索恩以及建立LIGO國際合作並將其轉化為大科學的巴里什。不幸的是，德雷弗於今年3月去世。