網文：多一隻眼睛看引力波

2016年2月11日，美國加州理工學院、麻省理工學院以及「激光干涉引力波天文台(LIGO)」的研究人員宣布，他們利用LIGO探測器於2015年9月14日探測到來自兩個黑洞合併的引力波信號。四百多年前，牛頓在他創世紀式的《原理》中首次提出了萬有引力的理論模型，使我們不僅知道了我們為什麼會有重量，還知道了地球為什麼會永遠圍著太陽轉圈。 但引力本身是個什麼東西？牛頓老老實實地承認——我不知道。在這本書中他說：「迄今為止，我還不能從現象中發現引力的原因。我從不杜撰假設。」這就把引力的身世之迷留給了後人。地球為什麼會繞著太陽轉圈呢？因為地球一方面受作勻速直線運動的慣性力作用，另一方面又受與太陽相互吸引的引力作用，兩種力的合力，就畫出了繞太陽圓周運動的軌道。如果太陽突然消失，地球會在多長時間內作出反應呢？牛頓猜測，引力是一種「超距」作用力，地球會即刻改圓周運動為直線運動，不需要時間。1915年愛因斯坦提出的廣義相對論，把引力現象解釋為一種幾何現象——時空彎曲。我們把空間比作一面鋼絲網，如果這個網是平直的，一隻脫離了蘋果樹的蘋果根據牛頓第一定律會懸空著靜止不動。之所以會掉向地球，是因為地球的質量把這面鋼絲網壓出了一個大坑，蘋果於是就滑落到了坑底。地球之所以沒像蘋果那樣「滑落到坑底」（掉進太陽），是因為它憑著自身的慣性力，像馬戲團的飛車走壁一樣，沿著「坑壁」做圓周運動。如果上帝突然取走壓彎空間網的太陽，空間網的由彎變直會是從中心向邊緣傳播的，到地球感受到空間變直就會有一個延時。愛因斯坦猜測，這應當是8秒鐘——與光線傳播的時間相同。換言之，引力是一種波——「引力波」！可以用電磁力的類比更直觀地理解萬有引力。我們可以用肉眼觀察到的宏觀世界，物體間的相互作用力看似紛紜複雜，但歸結起來不過兩種：電磁力和萬有引力。我們知道，物體由原子構成，原子由原子核和核外電子構成。兩物體之間的相互作用力，其實就是兩物體原子的帶正電的核外電子由於「同性相斥」原理所產生的斥力。量子力學更把電磁相互作用的機制精緻描述為電子間交換光子的過程：兩個電子就好比兩個坐在輪椅上的籃球運動員，他們互相傳遞一個籃球（光子），由於籃球的衝力，兩個運動員在傳球過程中會彼此遠離。可以同樣圖解萬有引力。不過此景中兩個運動員傳遞的籃球不是光子而是「引力子」，如果說光子攜帶的是正能量的話，「引力子」攜帶的則是反能量，於是兩個運動員在傳球中就會彼此接近。了解量子力學的朋友都知道，在微觀物理世界，我們必須用兩隻眼睛——波動的眼睛和粒子的眼睛，才能看清事情的真相。電磁現象，用波動的眼睛看就是連續性的電磁波，用粒子的眼睛看就是間斷性的光子流。二者並不是不同甚至相互矛盾的兩個東西，而是同一個東西，區別僅在於我們的觀測手段（眼睛）不同。引力按理也是「波粒二象性」的。既然我們現在已經觀測到了引力波，應當也將會觀測到「引力子」。實際上，在量子力學和超弦理論領域，都有過「引力子」的預言和建立理論模型的嘗試，只是至今尚未有成功的先例。可以想到，引力波的觀測成功，對於引力子的理論和實驗都將是一個莫大的激勵或鞭策。麥克斯韋預言電磁波僅僅23年，電磁波就被觀測實驗證實。愛因斯坦1916年預言引力波，整整100年後才宣告觀測成功。之所以會有如此差別，乃因為引力與電磁力相比實在是太微弱了。假如我們將電磁力的相對強度設定為1的話，萬有引力的則是10－37，整整相差了37個數量級！這種差別我們在日常生活中也能觀察到。比如一個1噸重的鐵球從幾百米的高空下落，根據萬有引力公式，萬有引力會每秒每秒按幾何級數增加，到地面達到最大。即使這樣，頂多也就在地上砸出一個坑，就被電磁斥力給抵消掉了。所以要觀測到引力波，一是引力波的能量要足夠大，二是觀測儀器的精度要足夠高。這次LIGO觀測到的引力波，是兩個分別為36個和29個太陽質量的黑洞合併輻射出來的。合併後的黑洞總質量為62個太陽質量，損耗掉的3個太陽質量，就轉化成了引力波的能量——要知道，一個廣島原子彈的質量損耗，也就只有幾十克呀！引力波用如此巨大的能量把空間曲率變化的信息以波動的形式輻射到地球，會造成地球空間曲率的變化，使空間拉伸或壓縮。但這種變化不能用尺子丈量，因為尺子會同步變化。根據相對論，倒是有一把「尺子」是絕對不變的，那就是每秒走30萬公里的光線。比如空間被拉伸了，光走完這個空間距離，就會比先前用更多的時間。 但LIGO觀測到的引力波，在幾公里長的空間造成的變化也只是以納米來計量的。如此微小的空間差，再換算成光時差，人類根本造不出測量如此精度的鐘錶。辦法總比困難多。LIGO觀測的工作原理：從光源發射一束激光，通過分光鏡分為兩束，分別通過兩個互相垂直的嚴格等長（幾公里）的測光臂，然後又分別被兩個測光臂頂端的反射鏡反射回來，匯合一處射向探測器。在沒有引力波干擾的條件下，兩束光的光程完全相同，因此兩束光嚴格同步，波峰對波峰，波谷對波谷，嚴絲合逢。按同相倍加異相抵消的干涉原理，兩束光的相干就會在探測器上造成明暗相間的干涉條紋。想一想狹義相對論的尺縮效應只發生在愛因斯坦火車的運動方向上，引力波引起的空間彎曲效應也是發生在特定的方向上的。當引力波襲來，一條測光臂被拉抻了，與它垂直的另一條測光臂卻不受影響。於是兩束光被反射回來匯合的時候，通過被拉伸測光臂的光束就會慢那麼一點點。現在兩束光就不嚴格同步了，波峰與波峰和波谷與波谷之間，會錯開以納米計量的一點點，探測器上的干涉條紋就會發生變化。這個變化，正是引力波作案的證據！關於實驗證實引力波的意義，其他文章已多有介紹，比如證實了愛因斯坦最後一個未被證實的預言，支持宇宙大爆炸理論，等等。這裡我只講一件趣事。我寫過一篇美國科幻片《星際穿越》的評論，裡面談到該片的編劇——美國物理學家索恩的一些趣事。而這個索恩，恰好又是LIGO的創辦者之一。在《星際穿越》中，索恩讓在五維時空中的主人公庫珀，用引力波向四維時空中的女兒發報。我想問問索恩：引力發報機何時能從電影走向現實？（20160215）
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