引力波的三位獵手，獲「復旦-中植科學獎」（施郁的科普報告）

施郁（復旦大學物理學系）

9月21日，復旦大學宣布，第二屆「復旦-中植科學獎」授予了在引力波領域做出突出貢獻的科學家。我在新聞發布會上作了個科普報告，並於次日在「知識分子」發表了相應的科普文章。下面是這篇文章。

13億年前，宇宙中有兩個黑洞相互碰撞，它們併合成一個大黑洞而產生了引力波。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，人類的演化歷史不過200多萬年。在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，激光干涉引力波天文台（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，實現了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。

300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，意思是說，物體之間引力的傳遞不需要時間。牛頓用引力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（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，但總的時空間隔保持不變。

10年之後，愛因斯坦又將引力納入相對論的框架，創立了廣義相對論。他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。」也就是說，物質之間的引力需要時間來傳遞。

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，預言了引力波的存在。

引力源質量分布的改變，導致它對其它物體引力的改變，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。因為牛頓力學中沒有引力波，所以引力波的觀測驗證的是廣義相對論。

通常，物體間的引力很弱。但對於宇宙天體而言，其質量巨大，它們之間的引力也很大。理論研究表明，引力波主要來自宇宙中的超新星爆發、中子星、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只有0.0…01（其中小數點後21個0）。1974年，拉塞爾·赫爾斯（Russel Alan Hulse）和約瑟夫·泰勒（Joseph Hooton Taylor）發現了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，他們因此獲1993年諾貝爾物理學獎。但是，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？激光干涉引力波天文台（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，可以排除其它信號（比如地震）。每個探測器是一個巨大的邁克爾遜干涉儀，它有兩個互相垂直的、約4公里長的臂，構成曲尺形。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。疊加（干涉）以後的光強決定於兩臂長度差，所以用來測量兩臂長度差。

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，即一個臂變長時，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。

LIGO測到，干涉儀的臂發生了0.0……04米的長度改變（小數點後18個0）。作為人類歷史上最精密的測量，這一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。所謂太陽質量，它是天體質量的單位，1個太陽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。

很多科學家對LIGO的成功作出了貢獻。特別值得一提的是，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月去世了。

「復旦-中植科學獎」由復旦大學和中植企業集團合作設立，以表彰在數學、物理學和生物醫學三個學科領域做出原創性傑出貢獻的全球科學家。該獎項每三年在這三個學科領域中輪流評獎，今年將授予在物理學領域做出傑出貢獻的科學家。「復旦-中植科學獎」理事會決議，2017年「復旦-中植科學獎」授予：

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。

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，對LIGO儀器科學做出了重要貢獻，並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從幾個研究小組成功轉化成眾多成員共同依賴大規模設備的大科學，最終使引力波探測成為可能。

LIGO探測到引力波，意義不僅在於直接驗證了廣義相對論預言的引力波，還在於開啟了對強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只是來自宇宙中傳來的電磁波和高能粒子，而引力波帶來了主宰宇宙的引力的直接信息。