解讀2017年諾貝爾物理學獎：引力波，傾聽宇宙之聲

2017年諾貝爾物理學獎揭曉，獲獎者是Rainer Weiss、Barry C. Barish和Kip S. Thorne（基普·索恩），以獎勵他們在引力波的研究和發現上做出的開拓式貢獻。不妨跟隨湛廬君聽聽基普·索恩解讀LIGO項目的建立，探索引力波背後的科學原理，以及他樂享宇宙彎曲一面的夢想。

LIGO，為傾聽引力波而生

我從事的物理學研究，是關於在遙遠宇宙中的彎曲時空——我自己喜歡稱之為「宇宙彎曲的一面」。也就是研究彎曲的時空，比如黑洞、蟲洞以及奇點引發的種種現象。我感興趣的課題是關於由彎曲的時空引發的「宇宙風暴」——海洋風暴的宇宙版本。

我們的研究並不僅局限於理論方面。風暴化的彎曲時空會產生引力波（時空中的漣漪），而引力波又會將風暴的信息帶來地球。早在1983年，我、麻省理工學院的雷納·威斯和加州理工學院的羅納德·德雷弗就聯合建立了LIGO。全稱是：The Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory，即激光干涉引力波天文台。LIGO的主要任務是尋找來自遙遠宇宙的空間波動。這些空間波動被稱為「引力波」，在黑洞相互碰撞、黑洞的潮汐力摧毀中子星和宇宙誕生極早期等物理階段產生，當然還有其他物理機制能產生引力波。

圖1 位於華盛頓州漢福德的引力波探測陣列LIGO的航拍照片

圖2 LIGO的控制室，工作人員正在控制這些儀器，並監視信號

LIGO現在已經分別在華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的利文斯頓建成了兩個引力波探測裝置，將來還會在印度設置第三個。義大利、法國和荷蘭的科學家們在比薩附近也建立了類似的干涉儀裝置，而日本的物理學家們正在山中的隧道里建立一個引力波探測裝置。這些探測器會協同合作，最終成為一個在世界範圍內探測引力波的巨型網路，更好地幫助人類通過研究引力波去探索宇宙。

現在，LIGO是一個大型國際合作項目，大約有來自17個國家的900位科學家為其工作，總部設在加州理工學院。考慮到這個項目對於我們在理解宇宙方面的巨大的潛在回報，LIGO主要通過美國國家自然科學基金由納稅人的稅款資助。

引力波以及探測引力波的原理

圖3 互相逆時針高速旋轉的雙黑洞系統產生的拉伸線，由利亞·哈洛倫繪製

圖3是由一位藝術家創作的關於黑洞拉伸線的概念圖，展現了來自互相逆時針旋轉然後碰撞的雙黑洞系統的拉伸線。從兩個黑洞端向外延伸出去的拉伸線會對所有與其相交的物體產生拉扯作用。而且，從黑洞碰撞區域延伸出來的拉伸線會對所有與其相交的物體產生擠壓作用。因為雙黑洞系統中的成員會相互快速繞轉，所以周圍的拉伸線會被拉扯著與黑洞一起運動，向外且向後（逆時針）地擴散出去，就像旋轉的洒水器噴出的水那樣。

當兩個黑洞最終合併成單個並且質量更重的黑洞後，就會產生一個變形的黑洞，它會沿著逆時針方向自轉，同時其自身的拉伸線會被拉著隨其一起一圈又一圈地轉動。拉伸線會像旋轉的洒水器灑出的水一樣向外擴散，最終，黑洞的拉伸線會變成像圖4所顯示的複雜形式。在圖4中，紅線代表拉扯效應，藍線代表擠壓效應。

當拉伸線向外傳播穿過一個離黑洞很遠並且處於靜止狀態的人的身體時，他的身體會感受到一會兒被拉扯、一會兒被擠壓的震蕩效果。在這個時候，拉伸線其實已經變成了引力波。在圖片平面上任意一處有深藍色拉伸線（強擠壓效果）存在的地方，深紅色拉伸線（強拉伸效果）將是垂直於圖片的方向向外的，同樣，深紅色潮汐線所經過的地方，深藍色潮汐線也是垂直於圖片的方向向外的。隨著這種波動向外傳播，黑洞的形變會逐漸變弱，波強也會隨之降低。

圖4 變形旋轉黑洞的拉伸線示意圖，由羅布·歐文繪製

當引力波到達地球的時候，它們的形式會如圖9上方圖中所顯示的樣子。引力波沿著一個水平方向拉伸，沿著另外一個垂直的方向壓縮。當引力波信號繼續穿過圖9下方所示的探測器時，拉伸和擠壓兩種效應就會循環震蕩（從紅色的由右向左變到藍色的由右向左，再變回紅色的由右向左，如此反覆）。

圖5 LIGO探測器上引力波的成像示意圖

這個探測器由四面大鏡子組成（每面鏡子重40千克，直徑為34厘米），分別用支架支撐在兩條相互垂直的探測臂之上。引力波的拉伸線在拉扯一條探測臂的同時擠壓另一條探測臂，然後再擠壓剛才拉伸的那條探測臂，如此循環往複。我們用激光干涉技術監測各面鏡子之間振蕩式的距離變化，觀測激光干涉現象的變化，這樣就能觀測到引力波了。

探索宇宙彎曲的那一面

到目前為止，人類對時空彎曲還不甚了解，幾乎沒有相關的實驗和觀測數據。這就是為什麼這次觀測到引力波非常重要的原因：引力波源自於空間的彎曲，所以它們是探索宇宙彎曲的理想工具。

假如你只看到過風平浪靜的海面，那你是無法了解狂風暴雨時波濤洶湧乃至巨浪滔天的大海的。在我提供科學指導的電影《星際穿越》中，展現的時空彎曲是平靜的，就好像海上平靜的日子。但是，如果像這次LIGO觀測到的兩個旋轉的黑洞出現碰撞，它們就會讓時空漩渦變得狂暴起來。時間的流逝急劇變慢，又突然地加速，並持續瘋狂地震蕩。這也會讓空間的幾何發生瘋狂的變化。

這類似於我們今天對時空彎曲的理解和認識。我們幾乎不知道任何有關「風暴」之中的彎曲空間和彎曲時間的性質（這裡的風暴是指劇烈的時空變化，比如空間位形和時間流逝速率的劇烈震蕩）。對我來說，這些都是令人嚮往的前沿課題。約翰·惠勒是一位具有非凡創造力的科學家，他把這一過程稱為「幾何動力學」：時空幾何的劇烈動力學行為。

20世紀60年代早期，那時我還是惠勒的學生，他建議我和其他學生去做有關幾何動力學的研究。我們嘗試了，但是非常不幸地失敗了。我們當時不知道如何才能把愛因斯坦方程解得足夠完美，從而了解這些方程的理論預言，而且我們也無法在天文學上觀測宇宙的幾何動力學。

我曾經花費了很多時間來改變這個狀態。我還和其他人一起創建了LIGO來探測遙遠宇宙中的幾何動力學。2000年，我把我在LIGO的職位轉交給別人，然後與其他在加州理工學院的同事們共同建立了一個科學小組，我們的科學目的是用超級計算機計算愛因斯坦方程的數值解，然後用這些數值解來模擬幾何動力學，並研究與它相關的性質。這個項目被稱為SXS（模擬極端時空）。這也是一個合作項目，其中包括我的小組、康奈爾大學索爾·圖科斯基的研究小組和其他一些小組。

研究幾何動力學的最佳地點是兩個黑洞發生碰撞的地方。因為當兩個黑洞發生碰撞時，黑洞會將時空帶入劇烈的旋轉之中。我們的SXS數值模擬現在已經比較成熟，並且已經開始逐步揭開了廣義相對論的預言（見圖6）。

圖6 雙黑洞碰撞的數值模擬

上圖：從我們的宇宙中觀測到的雙黑洞軌道和引力場。

中圖：黑洞碰撞時的時空彎曲（超空間的假想觀測），箭頭表示空間跟隨黑洞運動的速度向量，顏色代表時間的彎曲程度。

下圖：數值模擬中輻射出的引力波的波形。數值模擬中的兩個黑洞是完全相同的無自旋黑洞。

圖片建立在SXS小組的數值模擬結果之上，截圖自哈拉爾德·菲佛製作的演示視頻

原初引力波，一瞥宇宙誕生的奧秘

除了此次LIGO觀測到的雙黑洞碰撞產生的引力波外，我的俄羅斯好友列昂尼德·格里修克，早在1975年就給出了一個令人吃驚的預言：宇宙大爆炸會產生大量引力波。他認為，這些引力波的產生機制是以前不為人所知的：來自大爆炸的引力量子漲落會被宇宙初始的膨脹顯著地放大；在經過放大之後，它們就形成了原初引力波。如果這些引力波能夠被發現，那麼它們可以幫助我們一瞥宇宙誕生時的情形。

在之後的幾年裡，隨著對宇宙大爆炸認識的逐漸成熟，我們很明顯地發現，在波長和我們整個可見宇宙相當的尺度上——大約是10億光年，原初引力波的波強將達到峰值。而在LIGO的可探測波長處，即幾百千米到幾千千米的尺度上，原初引力波的強度會弱到無法觀測。

圖7 宇宙微波背景輻射

20世紀90年代早期，宇宙學家們意識到，這些10億光年波長的引力波應該會在填充滿宇宙的電磁波背景——所謂的宇宙微波背景輻射（CMB）——上留下獨特的印記。這樣，一個聖杯式的研究工作便浮現了出來：尋找存在於宇宙微波背景輻射上的原初引力波的印記，通過研究這些印記，推斷產生這些印記的原初引力波的性質，從而探索宇宙的誕生。

2014年3月，宇宙微波背景輻射上的原初引力波印記被傑米·巴克組建的小組發現（見圖8）。而在加州理工學院時，他的辦公室就在我辦公室門前走廊的另一端。然而，在2014年的冬天，一系列的努力卻得到了一個令人失望的結果。傑米的團隊和歐空局普朗克衛星（在繞地球飛行）的聯合觀測表明，至少有一半的觀測信號事實上是由於星際塵埃所導致的，而是不是完全由塵埃所致目前還不清楚。

如果這個信號真的是由大爆炸所產生的原初引力波造成的，那麼這也許是宇宙學中50年一遇的重大發現。這個信號為我們帶來了宇宙誕生極早期（大爆炸後一兆兆兆分之一秒）的信息。它將證明理論物理學家關於宇宙極早期快速膨脹的預言，用宇宙學家的行話說是「暴漲」。這將把宇宙學引入一個新紀元。

圖8 發現原初引力波信號的Bicep2望遠鏡，由傑米·巴克的團隊所建造。Bicep2望遠鏡位於南極，圖中是南極黎明時的場景，由於極晝夜現象，在一年之內觀測只有兩次。望遠鏡下方的保護罩是為了保護望遠鏡不被來自周圍冰層的輻射影響。圖中右上角的插圖顯示了測量到的引力波在宇宙微波背景輻射上的印記：極化分布圖，宇宙微波背景輻射的電場指向圖中的短線方向

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