諾貝爾物理學獎官方解讀：引力波開啟觀察宇宙新時代

北京時間10月3日傍晚消息，剛剛，瑞典皇家科學院宣布將2017年諾貝爾物理學獎授予三位引力波探測計劃的重要科學家，三人均來自LIGO/VIRGO合作組，以獎勵他們在「LIGO探測器以及引力波探測方面的決定性貢獻」。獎金的一半授予萊納·魏斯（Rainer Weiss），另外一半由巴里·巴里什（Barry C. Barish）和基普·索恩（Kip S. Thorne）兩人分享。

首次被探測到的引力波

時空漣漪

2015年9月14日，LIGO探測器目睹了一次時空中的漣漪：人類首次檢測到了引力波信號。儘管這一信號在抵達地球時極其微弱，但它已經掀起了一場物理學的全新革命，是我們觀察宇宙事件並檢測我們知識極限的嶄新手段。

人類首次探測到的引力波信號源自數億年之前兩個黑洞發生的碰撞。愛因斯坦再一次被證明是正確的。自愛因斯坦預言引力波存在之後，時間又過了100年，但當初愛因斯坦儘管提出了引力波存在的理論，但他本人並不相信引力波有朝一日能夠被探測到。

LIGO的全稱是「激光干涉引力波天文台」，這是一個由來自20多個國家的上千名科學家們共同參與的大型合作項目。這些科學家們通力合作，實現了一項延續超過半個世紀的夢想——引力波的直接探測。2017年度諾貝爾物理學獎的獲獎人們以他們的熱情和決心，成為了實現LIGO的成功背後不可或缺的關鍵人物。萊納·魏斯，巴里·巴里什和基普·索恩領導了整個項目的推進，直到最終完成，確保了40多年的努力最終結出碩果，獲得了首次引力波探測的成功。

在國際合作組完成最終的數據分析工作之前大約5個月，傳言便開始四處流傳，但研究組一直對此保持沉默，他們在完全確信之前不敢輕易發布消息，直到2016年的2月11日一鳴驚人。

除了是首次觀測到引力波之外，LIGO項目的科學家們在那次發現中還創造了多項第一。比如說，這有信號首次證實宇宙中存在質量介於30~60倍太陽質量的黑洞並且它們之間可以發生合併。在合併的一瞬間，產生的引力波信號要強過宇宙中所有恆星的星光的總和。

捕捉引力波信號的示意圖。天文學家首次捕捉到的引力波信號來自13億光年外兩個黑洞的劇烈碰撞。當這些引力波在13億年後經過地球時，強度已經減弱不少，它們對時空的擾動被LIGO記錄下來，而這一擾動比原子核還小數千倍。

時空的震動

一片漆黑之中，兩個黑洞的碰撞產生的震動信號打破了宇宙的平靜。就像一顆小石頭丟進平靜的湖面，引力波像一道道漣漪，在時空中擴散開來。但它仍然需要時間才能抵達地球。儘管引力波信號以光速傳播，它仍然需要數億年的時間才抵達我們這裡。

2015年的9月14日，在美國兩台LIGO探測器的記錄儀上，數據曲線出現了一條微小的波動，這是13億光年外兩個黑洞的碰撞發出的信號。

LIGO並不是平常意義上的望遠鏡，它並非用於光學探測，甚至不是用於接收電磁波，它的用途是用來聆聽宇宙深處的引力波信號，即便引力波的本質是時空本身產生的漣漪。

數十年來，物理學家們一直在嘗試探測愛因斯坦在百年之前預言的引力波。愛因斯坦指出，時空具有「彈性」，當有質量的物體加速時產生的引力波將會造成四維時空的波動，比如遙遠星系內恆星的爆炸，或者兩個黑洞在合併之前的高速旋轉等等。和引力波一樣，黑洞本身也是由愛因斯坦在1915年提出的廣義相對論所描述的。在後來超過50年的時間裡，大部分主流科學家一直認為黑洞只是愛因斯坦方程組的一個解，而非實際存在於宇宙中的真實天體。

相對論將引力視作是時空的扭曲。當引力極端強大時，時空的扭曲可以達到極限，形成一個黑洞。黑洞是時空中最為奇異的天體——沒有任何東西能夠逃離黑洞，光線都不行。也正因為如此，黑洞一直是物理學中的一種神秘存在。引力波帶給科學家們一種希望，他們或許可以嘗試去檢測一種此前從未想過的全新的信號，但關於時空的謎團究竟是否能夠真正被揭開仍然難以預料。在很長一段時間裡，愛因斯坦本人一直確信引力波信號是不可能被檢測到的，因為他自己都不能肯定這究竟是真實存在的現象還是只是一種數學計算上的假象。

他當時的同事，英國大科學家亞瑟·愛丁頓更是完全不相信引力波這種說法，他說，引力波不是以光速傳播，而是以「思想的速度在傳播」，以此表達自己對此現象真實性的質疑。

一直到上世紀1950年代末，引力波的想法才開始逐漸被更多人接受，當時的計算結果證明引力波應該可以攜帶有能量，因此至少從理論上說或許是可以被檢測到的。第一個非直接證據出現在1970年代，當時美國天文學家約瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）和拉塞爾·赫斯（Russell Hulse）使用一台大型射電望遠鏡對一對脈衝雙星進行了觀測。他們的觀測顯示這兩顆緻密星體之間相互繞轉的速度不斷加快，並在此過程中損失能量並相互靠近。計算顯示其失去的能量值符合引力波理論的預測數值。由於這項成就，約瑟夫·泰勒與拉塞爾·赫死被授予了1993年的諾貝爾物理學獎。然而，他們兩人的工作畢竟仍然是間接的。我們仍然希望能夠直接檢測到引力波的信號。

但要在時空中產生漣漪異常困難，因此只有宇宙中最為劇烈的事件才有可能產生出能夠被檢測到的引力波信號。但即便如此，這種信號仍然極為微弱———檢測它們就像測量一顆10光年外恆星的距離，並且要求你精確到一根頭髮絲直徑。因此，儘管我們知道整個宇宙中到處都是引力波引發的漣漪，但銀河系內部發生的，且能夠被檢測到的那種強烈信號卻是相對較少的，我們必須指望宇宙中那些更加遙遠的地方。

捕捉引力波信號的示意圖。天文學家首次捕捉到的引力波信號來自13億光年外兩個黑洞的劇烈碰撞。當這些引力波在13億年後經過地球時，強度已經減弱不少，它們對時空的擾動被LIGO記錄下來，而這一擾動比原子核還小數千倍。

用引力波回溯過去

現在，我們檢測到了引力波的信號。產生這一信號的兩個黑洞自宇宙早期誕生之初便一直在相互繞轉，並最終合二為一。它們之間每繞轉一圈，便在時空之中形成一道漣漪，這些漣漪以引力波的形式，在宇宙時空之中不斷擴散遠去。這些漣漪攜帶有能量，於是兩個黑洞便通過這種方式損失了能量，這讓它們兩者之間的距離越靠越近，速度也變得越來越快，於是損失能量的速度也就越來越快，這樣的過程持續了數百萬年。最終，在一瞬間，兩個黑洞的事件視界相互接觸，兩個黑洞最終合併。在合併的一瞬間，所有震動全部消失，只剩下一個完好的，但是質量更大的自轉的黑洞，完全看不到任何狂暴歷史發生過的痕迹。

但這是假象。有關曾經存在過的兩個黑洞合併的歷史並沒有完全消失——這段歷史被隱藏在那時空的漣漪之中。引力波不斷拉伸或壓縮著它通過的時空，不同的「音調」訴說著不同的故事。如果我們能夠傾聽所有的引力波信號，而不僅僅是其中那些最強烈的信號，那麼整個宇宙將像一座充滿音樂的殿堂，就像森林中各種鳥兒的合唱，各種聲音此起彼伏。在數十億年之後，隨著兩個黑洞宿命般的最終合併，音樂將迎來高潮，然後，一片死一樣的寂靜，彷彿一切都不曾發生。為何如此安靜？

因為產生這些信號的源頭太過遙遠了。引力波和光波一樣，隨著傳播距離增加，其強度會衰減。因此當引力波信號傳遞到我們這裡時，它的強度已經大大減弱了——LIGO項目捕捉到的引力波信號引發的時空變化，其程度不超過一個原子核直徑的千分之一。

LIGO由兩個完全相同的巨大幹涉儀組成。

LIGO——巨型干涉儀

對許多參與引力波研究的科學家來說，這個夢已經縈繞了超過五十年，而實現夢想的路不僅漫長、曲折，有時候還非常艱難。用於探測引力波的第一台探測器就像一把音叉，只對某一特定頻率的波敏感。但是，馬里蘭大學的約瑟夫?韋伯（Joseph Weber）只能猜測黑洞在碰撞融合時會以什麼樣的頻率「引吭高歌」。他在20世紀60年代建立了第一台探測器，當時許多人都對引力波，甚至黑洞的存在表示懷疑。因此，當韋伯在20世紀70年代宣布已經探測到引力波時，引發了科學界的轟動。然而，沒有人能夠重複韋伯的結果，他的觀測被認為是誤報。

在20世紀70年代中期，儘管懷疑的聲音不斷，但基普?索恩和萊納?魏斯堅定地認為，引力波能夠被探測到，並且將為我們對宇宙的認識帶來革命性的影響。萊納?魏斯已經對可能干擾測量的背景噪音來源進行了分析。他還涉及了一台探測器——基於激光的干涉儀，可以很好地解決噪音問題。

就在萊納?魏斯在麻省理工學院研發探測器的同時，基普?索恩也開始與朗納?德瑞福（Ronald Drever）合作，後者在蘇格蘭格拉斯哥大學建立了引力波干涉探測器的雛形。德瑞福後來搬到洛杉磯的加州理工學院，加入索恩的研究團隊。魏斯、索恩和德瑞福三人成為了引力波探測領域的先驅，領導了該領域多年以來的發展。德瑞福最終離開了LIGO項目的主要路線，但還是得以見證引力波的首次發現。2017年3月7日，德瑞福在蘇格蘭愛丁堡的家中辭世，享年85歲。

與韋伯的「音叉」設計不同，萊斯、索恩和德瑞福開發了另一種裝置：一台激光干涉儀。該裝置的原理早已為人所知：由兩支長臂組成「L」形的干涉儀，在「L」形的角和兩端，將巨大的鏡子懸掛在一個精密的設備之內。經過的引力波對干涉臂的影響不同——其中一支臂被壓縮，另一支臂則伸長。

通過在鏡子之間反射的激光束，天文學家可以測量出兩支幹涉臂的長度變化。如果沒有情況發生，反射的激光會在「L」形轉角處互相抵消。如果其中一支幹涉臂的長度改變，那激光移動的距離就不同，從而失去同步性，並使激光在相遇時的強度發生改變。

基本的想法很簡單，但是關鍵在於細節——如何真正實現探測？利用大型設施去檢測不到原子核直徑還小的微觀變化絕非易事，科學家們花費了超過40年的時間才做到這一點。科學家們給出的方案是這樣的：建造兩台大型干涉儀，每一台都有長達4公里的直線管道，光線能夠在其中多次反射，從而通過延長光線傳播路徑的方式放大時空中可能存在的任何拉伸或收縮。

LIGO的其中一台設施建在美國西北部的大草原上，就在華盛頓州漢福德附近，另外在大約3000公里之外的路易斯安那州列文斯頓附近也建立了一台一模一樣的設施。設計並製造能夠進行如此精確測量的各類設備儀器花費了很多年時間。這需要複雜的分析和先進的理論，幸好在這方面加州理工學院的基普·索恩是專家。但是，要想研製這些尖端設備，你需要驚人的工程學天才和工藝手段，而在這方面萊納·魏斯作出了開創性的貢獻。另外，激光的波長和強度都必須儘可能穩定，並且光波必須能夠精確擊中管道內懸吊的反射鏡。這也就是說，懸吊的反射鏡完全不可以有任何晃動或震動，即便附近有樹葉飄落，孩子們在附近奔跑，甚至遠處有卡車駛過。但與此同時，這些懸吊的鏡面又必須確保在有引力波信號通過時，即便是最微弱的信號也能夠確保使其晃動。你還必須補償反射鏡表面的原子熱運動以及激光量子效應所產生的誤差。

這就意味著必須研發新的激光技術，開發全新的材料，建造巨大的真空管道，研發先進的避震技術和大量其他方面的全新設計和技術。很快人們就發現，要想運行這樣一個設施，一個小規模的團隊會顯得力不從心。於是到了1994年，當巴里·巴里什接過LIGO負責人職務之後，他將原本僅有40人左右的小團隊迅速擴充，形成一個包括上千名來自全球各地科學家的國際合作團隊。他到處尋找符合條件的優秀專家，並為項目組帶來各個國家的無數優秀的研究團隊。正是通過這種大科學項目中的通力合作，首次引力波探測的壯舉才能變為現實。

立即傳回的信號

2015年9月，在為期數年的升級完成之後，LIGO準備再次啟動。現在，研究團隊有了更強大的激光、重達40千克的鏡子、極為先進的噪音過濾裝置，以及世界上最大的真空系統之一。在實驗正式開始的幾天之前，他們就捕捉到了引力波信號。這個波先是經過利文斯頓的探測器，以光速傳播了7毫秒之後，出現在3000公里以外的漢福德區。

2015年9月14日清晨，從計算系統獲得的信息發送了出去。此時的美國還沉浸在夢鄉之中，但是在德國的漢諾威，時間是上午11:51；在馬克斯普朗克引力物理研究所，年輕的物理學家Marco Drago正準備享用午餐。忽然間，他瞥到了一道曲線，而這正是他練習辨認了無數次的曲線形狀。他真的要成為世界上第一個看到引力波的人了嗎？或者這只是一個誤報，是只有少數人知道的一場隨機盲測而已？

這個波的形狀與預測的完全一致，而且這不是一場測試。一切都完美地吻合。如今，引力波研究的先驅者們都已經八十多歲，他們的LIGO同事們終於將他們魂牽夢繞的引力波呈現在眼前。這個消息似乎太好了，以至於有點不真實。在第二年2月消息公布之前，LIGO團隊的成員們都還不被允許把消息透露給任何人，甚至他們的家人。

這次被稱為「GW 150914」的探測事件沒有辜負研究人員的期待。從引力波信號中，他們發現兩個目標黑洞分別比太陽重29和36倍，但直徑都不超過200公里。它們融合形成的黑洞大約為62倍太陽質量，因此在十分之幾秒的時間裡，它們以引力波的形式釋放出了相當於3倍太陽質量的輻射。GW 150914事件也成為這段極短瞬間內宇宙中發生的最強烈的輻射事件。該信號還表明，此次劇烈的事件發生在南方天空，距離地球約13億光年。這意味著黑洞碰撞發生在13億年前，當時地球上的生命正從單細胞向多細胞發展。

在首次發現之後，LIGO還觀測到了兩次相似的事件。位於歐洲的「處女座干涉儀」（VIRGO，位於義大利比薩附近）在2017年8月加入了LIGO，並在9月27日宣布了他們的第一項聯合發現成果。所有三台探測器都在2017年8月14日探測到了相同的宇宙引力波——來自18億光年外兩個中型黑洞的碰撞。

這些探測器至今已經觀測到了4次「宇宙漣漪」，而天文學家期待著更多的發現。印度和日本也在建設新的引力波觀測台。有了相距遙遠的多個探測器，研究人員將能夠精確地找出信號源頭。有了引力波的觀測結果，天文學家還可以利用光學望遠鏡、X射線望遠鏡和其他類型的望遠鏡做進一步的研究。

截至目前，所有電磁輻射和粒子，如宇宙射線和中微子等，都已經被用來探索宇宙。然而，引力波是時空本身存在擾動的直接證據。這是一種全新的、不同的東西，為人類開啟了完全陌生的世界。對於能成功捕捉引力波並翻譯其中信息的研究者來說，這意味著無數新穎的發現等待著他們。

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