發現引力波：愛因斯坦又對了

科技 04-08

從前，有一個人著迷於引力現象。他的腦海中進行著有關宇宙飛船和電梯的思想實驗。最終他得出結論，引力不是傳統的「力」，而是時空彎曲的表現。他沉浸在微分幾何的研究之中，而微分幾何是一種可描述任意彎曲時空的複雜數學。最終，他得到了一種思考時空的新方法，以一個不可思議的方程量化出了引力與物質和能量如何彼此影響。

發現引力波：愛因斯坦又對了

他並沒有停下思考的腳步，還利用自己的新理論得到了許多推論。其中之一是，引力的變化並不會立刻傳到整個宇宙中，而是以引力波的形式傳播出去，傳播速度是光速。之後一段時間，他還曾對這個推論持質疑態度。不過最終，大多數的科學家都覺得這個推論很靠譜，值得檢測一下。他們發起了一個雄心勃勃的計劃，建立了一個在技術上堪稱奇蹟的探測器，可檢測到引力波留下的淡淡痕迹。最終，在預言之後的100年，一個新聞發布會舉行了。

當然，這個人就是阿爾伯特·愛因斯坦。而那個於2016年2月11日舉行的新聞發布會，其內容許多人都已經知道了：藉助於LIGO，即激光干涉引力波天文台，人類首次直接探測到了引力波。

研究人員表示，探測到的引力波是大約在13億年前由兩個中等質量的黑洞合并時產生的。這個引力波以光速向外傳播，最終遇到地球。在2015年9月14日，LIGO的兩個巨大的探測器捕捉到了這個引力波產生的信號。

愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，引力是時空彎曲的表現。如果把時空想像成一張巨大的橡膠膜，那麼有質量的物體就會讓橡膠膜彎曲，這就像你踩在蹦床上，蹦床網面發生彎曲一樣。質量越大，時空被彎曲得越厲害，引力就越強。太陽質量非常大，它會導致其周圍的時空發生嚴重彎曲。若是地球想在太陽周圍彎曲的時空里走直線，你會發現地球事實上是在繞圈。所以地球繞著太陽轉，其實並沒有什麼力拉著地球，只不過是這裡的時空發生了彎曲。

如果你在蹦床上跑來跑去，那麼網面可能會出現向四周傳播的振動波。同樣，有質量的物質進行加速運動時，可能會使得時空自身出現「漣漪」並向周圍傳播出去。於是，引力波隨之而生。

發現引力波：愛因斯坦又對了

事實上，任何有質量的東西都能產生引力波。如果我與你一起，彼此繞著圈來跳一支舞，我們也會產生時空的漣漪，但這個引力波太微不足道，根本無法探測到。因為引力是宇宙中所有作用力里最弱的一種，所以只有非常非常重的東西，以非常非常快地發生速度變化，我們才有能力檢測到它們產生的引力波。其中一種能產生極強引力波的情況是兩個黑洞或中子星發生合并前的最後階段。

LIGO探測到的引力波是兩顆距離地球約13億光年遠的黑洞發生合并時產生的。其中一個黑洞約有36倍太陽質量，而另一個約有29倍太陽質量。這兩個黑洞繞著彼此旋轉了億萬年之久，然而隨著時間的流逝，它們不斷輻射出引力波並損失能量，它們之間的距離越來越近，旋轉的速度也越來越快。當它們之間的距離只有幾百千米的時候，它們的旋轉速度甚至超過了光速的一半。此時，這兩個黑洞猛烈地扭曲周圍的時空，產生強大的引力波，並釋放出巨大的能量。之後，在不到一秒鐘的時間裡，兩個黑洞碰撞在了一起，合二為一，形成質量約為62倍太陽質量的新的黑洞。這意味著，有大約3個太陽質量的能量在不到1秒里轉化為引力波的能量。在它們合并前最後20毫秒里，輻射出的引力波能量功率最高達到了約3.6×1049瓦特，大約是整個可觀測宇宙中所有恆星光輻射總功率的50倍。合并而成的新黑洞會迅速平靜下來，逐漸變為一個扁平球狀的高速旋轉的黑洞。它會在最後微微抖動幾下，然後這裡的時空再次恢復平靜。

引力波當然是看不見的。不過當引力波傳過來時，它會在一個方向上拉伸，在另一個方向上擠壓，這兩個方向都垂直於引力波傳播的方向。如果我們能檢測到引力波引起的時空拉伸與擠壓，那麼我們就可以說檢測到了引力波。

但如果你我之間的時空拉伸或擠壓了，僅拿著普通尺子測量你我之間的距離，是檢測不出來拉伸或擠壓現象的，因為尺子本身也被拉伸或擠壓了。但是有一個尺子不會受到影響：利用光速的尺子。光在真空中的速度永遠是個定值，那麼如果兩點間的距離被拉伸了，光就需要用更長的時間從這點跑到那點。而如果是被壓縮了，光則需要較短的時間。而這就是LIGO實驗的出發點。

LIGO現在有兩個探測器，一個位於美國路易斯安那州的列文斯頓，另一個位於美國華盛頓州的漢福德。它們相隔3000多千米——坐飛機大約需要3個半小時，不過對於引力波來說，只需要不到萬分之一秒就能到達。每一個探測器都由兩個約3.5米高的互成直角的混凝土管道構成，管道有4千米長，從高空看上去就像一個巨大的L。

LIGO的探測器內，一束激光束會被分為兩束，分別射向兩個彼此垂直的管道里。激光束會被管道末端安裝的鏡子反射回來，並回到檢測器里。在檢測器里，一束激光的波峰正好與另一束激光的波谷相對。這樣，兩束激光再次合到一起時，可以彼此抵消對方，檢測器檢測不到光信號。而當有引力波通過時，兩個管道的長度會發生改變——一個會被拉伸，那麼另一個則被擠壓。管道不斷地被擠壓和拉伸，交替變化，直到引力波完全通過。管道長度的變化使得兩束返回的激光束的波峰與波谷時而相對，時而錯位。這樣，兩束激光再次合到一起，不能彼此抵消對方，光信號出現，這就表明引力波被檢測到了。

然而，從13億光年之外發出的引力波，到了地球這裡，無論多強也會變得極為微弱。LIGO要想檢測到引力波，其敏感度需要達到令人難以置信的高度——它需要在1千米的長度上找到質子直徑千分之一的空間變化，或者說需要在太陽到比鄰星（約4.22光年）的距離上測出小於頭髮絲寬度的距離變化。

LIGO最終達到了這種敏感度，成為人類所建造的最為敏感的設備，而且對除了引力波以外的其他任何東西都不敏感。

可想而知，達到這種程度的敏感是多麼不容易。激光束穿過的管道需要處在一個近乎完美的真空之中，而將管道抽成真空就需要40多天。而且，還要消除掉外界環境對設備的影響。有許多意想不到事情都可能帶來干擾，例如臨近的海風、野外的狼叫、遠處的雷電、經過的汽車、供電系統的不穩，甚至鏡子中原子的不穩定等等。科學家們想出了各種各樣的辦法，來把每一個干擾都排除出去。例如說，反光鏡子被掛在一個複雜的懸架系統上，這懸架系統可抵消掉地震或日常生活引起的地表抖動。

另外，科學家們還建立了兩個相隔3000多米的探測器，只有兩邊同時觀測到一致的數據，才能說明問題。當然，還需要考慮許多其他上萬個細節。例如，研究人員在調試系統時需要用清潔時所使用的工具，穿上全身覆蓋的防護服，來防止任何皮膚細胞或灰塵落到精密的光學儀器上……

LIGO探測器在2002年到2010年進行了首次運行，檢測的結果是個乾淨的零蛋。之後探測器下線，開始了為期5年、耗資2億多美元的升級。升級後的LIGO被稱為先進LIGO，敏感度是原來的4倍多。先進LIGO準備於2015年9月18日開始正式運行，然而就在此前幾天，LIGO還處在工程測試運行階段，就檢測到了那個歷史性的信號。

2015年9月13日，LIGO的研究人員忙了一整天，進行了一系列的測試工作。他們在第二天凌晨4點收工了，大家都開車回家，留下設備靜靜地採集數據。而在當地時間凌晨4點50分，那個遠在13億光年之外的兩個黑洞合并時產生的引力波抵達了地球，以相隔7微秒的間隔先後通過了LIGO的兩個探測器。

在歐洲遠程監控LIGO的科學家們首先注意到了信號的抵達。他們瘋狂地給他們的美國同事發郵件。團隊的其他成員都醒了過來，消息迅速蔓延開來。但是，幾乎每個人都對此持懷疑態度，因為這個信號過於完美，與愛因斯坦理論預言的一模一樣。

他們首先想到的是這可能是一個「盲注」的結果。LIGO團隊中成立了一個3人的秘密小組，專門負責「搞破壞」：他們可能會在觀測數據中人為地注入假信號。這種被稱為「盲注」的手段能使LIGO團隊始終對數據保持警覺。但在這一次，沒有任何人進行過「盲注」。於是，LIGO的研究人員開始分析這一探測結果的有效性。他們仔細觀察各種儀器的輸出數據，搞清楚每件設備是怎麼設定和校準的，每一行軟體代碼都要分析，他們還把所有可能的環境干擾列了一個單子，來逐一排查。最後，他們才明白了他們真的檢測到了引力波，其可信度高達99.99994%。

2015年9月14日的發現，現在正式命名為GW150914。雖然LIGO得到的引力波信號只持續了大約0.2秒，但是科學家可以從中提取出許多令人驚訝的信息。他們分析出了這個引力波是由兩個黑洞合并產生的，而且還分析出了黑洞的大概位置、質量、運動速度、黑洞邊界相接觸的時刻等各種信息。這個發現還是第一個表明雙黑洞系統真實存在的觀測證據。

事實上，LIGO檢測到了那個歷史性的信號之後，還檢測到了更多的引力波信號。儘管那些信號沒有第一個信號那麼強烈，但這能說明他們最開始的發現並不是一次偶然的瘋狂事情。

引力波的發現，驗證了廣義相對論最後一個未被實驗直接證實的預言，愛因斯坦又預言對了。但這個發現的意義不止於此。

之前，宇宙所有的知識幾乎都是藉助電磁波和觀測粒子得來的。在400多年前，伽利略利用他自製的望遠鏡開啟了用可見光了解宇宙的時代。從那時開始，科學家們不斷提高觀測水平，又學會了從無線電波段、微波波段、紅外波段、紫外波段、X射線和伽馬射線了解宇宙。科學家們還學會了通過分析宇宙射線和中微子了解宇宙。但是，大部分宇宙是黑暗的，我們無法用天文望遠鏡直接觀測。而引力波是時空本身的漣漪，可以直接穿越黑暗，因此，它為我們了解這些事物提供了一個前所未有的方式。

例如，通過這次檢測到的引力波，科學家知道了兩個黑洞合并的細節。LIGO還可觀測中子星碰撞，或觀測一個中子星被黑洞撕裂的過程等等。

另外，LIGO還可以用來觀察一種只在理論中出現過的物體。一些理論認為，早期宇宙會產生一種比一個原子還要細的線性結構，但它可以有好幾光年長，而且物質密度十分高，幾厘米就可重達1億億噸。這種線性結構叫做宇宙弦。這些宇宙弦總有一天會與自己或其他的宇宙弦打成結。打結時，結點會發生斷裂，並輻射出一種特別形式的引力波。如果能探測到這種形式的引力波，我們就找到了宇宙弦的蹤跡。

所以說，引力波為我們了解宇宙開啟了一扇新的窗戶。這就像你的一生都曾失聰，直到有一天你的聽力恢復了一樣！你將可以用這個全新的方式聆聽並探索這個世界。

巧合的是，LIGO可以檢測到的引力波的頻率正好處在人耳聽覺頻率範圍之內。9月14日檢測到的引力波頻率，在很短的時間裡從35赫茲增大到250赫茲。如果把它轉變為聲音信號，那麼它聽起來像一個滑音。你可用你的手指從鋼琴鍵盤的最低音快速滑動到中央C，就可重現這種聲音。

不同的天文學現象會發出它們自己特有的引力波。例如，雙中子星聽上去像短笛，孤立的脈衝星可能像三腳鐵一樣發出一個單頻音，而黑洞則是樂團中的弦樂手。不過，LIGO只能聽到小提琴和中提琴。那些超大質量黑洞所發出的引力波頻率更低，這得需要未來其他的不同敏感度的引力波探測器來探究了。

現在，許多引力波探測器已在籌備之中，有些已經開始了建設。而這次引力波的發現，肯定會掀起進一步研究引力波的熱潮，引力波天文學的時代已經來臨。藉助引力波，我們可能會在不遠的未來發現以前從未想像過的事物。

從預測到現實

——尋找引力波的百年歷史

1915年：愛因斯坦提出了廣義相對論，解釋了引力其實是質量或能量引起的時空彎曲。

1916年：愛因斯坦提出有質量的物質在某些加速運動的情況下會產生時空的漣漪——引力波。

1936年：愛因斯坦在一篇論文初稿中認為引力波不應該存在。之後，他把這篇論文投到一家著名的物理學期刊時，審稿人指出了他論文的錯誤，愛因斯坦避免了一次烏龍。

1962年：兩位俄羅斯物理學家發表論文簡述了用光學儀器檢測引力波的方法，然而沒人注意到他們的論文。

1969年：美國馬里蘭大學的約瑟夫·韋伯聲稱使用他的鋁棒檢測到了引力波，但後來的重複實驗都一無所獲。

1972年：美國麻省理工學院的萊納·魏斯獨立提出了可以用光學方法來檢測引力波。