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新的引力波信號GW170814被正式公布了！

此次公布的信號來自2017年8月14日，在世界標準時間10時30分43秒，即北京時間18時，探測到兩個距離我們18億光年的恆星質量黑洞合併產生的引力波信號。值得一提的是，GW170814是全球三探測器網路觀測到的第一個事件，它不僅包括兩個aLIGO探測器，還包括升級之後的Virgo（室女座）探測器。引力波信號首先到達LIGO的位於利文斯頓的探測器；六毫秒之後，它到達了位於漢福德的探測器；然後又過了六毫秒，它又抵達了Virgo探測器。我們知道，廣義相對論是一個四維時空的理論。我們能夠肉眼估計三維空間的距離，靠的是雙眼效應。只用一隻眼看世界是沒有立體感的。因此，作為3+1時空中的理論，三個觀測站同時觀測並得到數據要比之前兩個探測器更加可靠。這次是31倍和25倍太陽質量的黑洞合併，而新的黑洞的質量約是53倍太陽的質量，即3倍太陽質量轉化為了引力輻射的能量。

與黑洞、宇宙學一樣，引力波實際上是一個非常複雜的學科，絕不僅僅是一句「時空的漣漪」能夠概括的。目前，宇宙學有很多觀測的效應可以與理論相對應，可以說發展得正火熱；黑洞雖然到現在沒有找到，但是它預言了引力和熱力學的內在聯繫，可能真實的宇宙環境沒有那麼理想的黑洞，但是其背後必定蘊藏著深刻的物理內涵。而數學十分複雜的引力波研究方興未艾。但是，隨著越來越多的引力波信號被公布，想必引力波會帶給我們數不清的驚喜。我們接下來先回顧一下引力波的基本知識。

引力波，或者叫引力輻射，是廣義相對論的重要預言之一。廣義相對論的基本方程，即愛因斯坦方程是一個高度非線性化的方程，愛因斯坦本人生前也並沒有給出一個精確解出來。但是，如果將愛因斯坦方程在平直時空做微擾併線性化後會發現，這個方程存在著波動解，可得出引力輻射的極化張量的傳播形式。此時，與電磁波類似的是，也可以讀出引力波的傳播速率為光速。就這樣，早在1916年，愛因斯坦就預言了引力波的存在。

需要說明的是，我們目前談論的引力波大多是平面引力波，絕對嚴格的球面引力波是不存在的，因為根據別克霍夫定理，球對稱的天體外部是靜態的引力場，因此不存在引力波。所以，一般來說考慮的都是柱面波，但是在無限遠處，就可以當做平面波來處理。

由於引力波太過微弱，因此儘管在日常生活里，我們舉手投足之間都會引發引力波，但是它極難以探測到。探測引力波主要有兩種方法，直接和間接探測。和潮汐力不一樣，由於引力波只有橫向剪切分量，沒有縱向分量，因此，間接探測的主要方法是探測引力波的帶來的應力變化，即剪切效應。利用這一方法探測引力波的最典型例子就是約瑟夫·韋伯利用鋁棒進行的實驗。通過推導引力的四極輻射，我們可以發現，若引力波沿軸向入射，那麼在低溫鋁棒中就會產生剪切應力。1969年韋伯聲稱,他於1968年12月30日到1969年3月21日的81天觀測中,收到了兩次引力波信號，然而由於他的實驗難以重複，而且鋁棒本身具有的熱運動也導致了實驗的不確定性大大增加，因此這一結果並沒有被學術界所接受。另外，為了維持鋁棒的低溫，需要一直在上面澆液態氦，這也造成了巨大的成本。如今韋伯早已不在人世了，但是LIGO和Virgo實現了他未竟的心愿，想必老人家泉下有知，必定會感到欣慰吧。LIGO的原理其實和韋伯利用的鋁棒十分類似，只不過是利用激光器干涉儀替代了鋁棒受到的剪切效應，即利用的是引力波對干涉儀的影響來探測引力波的存在，並長期維持高度真空以保證實驗的精度。引力波對物體造成的形變大約是該物體大小的10^-21倍，例如，引力波對地球造成的形變就是10^-14米。這是十分微小的形變，因此必須要極其嚴格的實驗環境才能探測到。換句話說，可能地面上一輛卡車經過都會造成類似的效果，因此，在引力波探測中，排除背景干擾是非常重要的。

第四次引力波信號的探測，可能遠不及第一次有那麼震撼人心的力量，然而在科學研究上同樣意義非凡。首先，這是升級後的LIGO和Virgo的第一次聯合大作戰。三個探測器—分別位於美國的利文斯頓和漢福德，以及義大利的探測器同時進行觀測，不僅使得信號更加可靠，即可以探測三個維度上時間彎曲的情況，也提升了精度，使得這次18億光年外的黑洞合併的定位更加準確。同時，這次引力波信號的極化與廣義相對論的預言一致，這是愛因斯坦的又一次偉大的勝利，也是引力波天文學的基石性的進展。此外，兩大探測器計劃在2018年再次合作，到那時，升級之後的探測器想必會帶來更多驚喜。

當然，科學家們是不會滿足於現狀的。他們還試圖將引力波觀測發展到空間中去，其中一種可行的方案是，利用三顆衛星組成一個正三角形，來觀測引力波帶來的剪切效應。甚至有人認為六顆衛星更好效果。衛星彼此之間，利用激光探測器維持一定距離。目前使用的較多的激光器是釔鋁石榴石製造的，其發射的是綠光。另一種探測引力波的方式則是，觀測中子星的自轉頻率。中子星的自轉頻率是非常穩定的，因此可以利用儀器不斷觀測，一旦中子星的自轉頻率有變化，說明有引力波經過，引起引力場的變化，因此可以認為間接地觀測到引力波的存在。而直接觀測引力波，則可以利用引力場對時鐘的影響來進行。

目前探測引力波主要在四個波段進行——高頻（1到10^4Hz）、低頻（10^-4到1Hz）、甚低頻（10^-9到10^-3Hz）、極低頻（10^-15到10^-18Hz）。目前，除了美國的LIGO和義大利的Virgo之外，日本的KAGRA、澳大利亞的PPTA、歐洲的VIRGO以及我國的SKT和FAST等觀測儀器都已經蓄勢待發。

波粒二象性是大家所熟知的物理概念。那麼有沒有引力子呢？儘管標準模型中並沒有引力子的位置，但是理論上來講必須存在引力子，而且其自旋為2，否則波粒二象性就失去了普適性，量子力學的基本假設也會受到衝擊。但是由於引力的非吸引性（至少現在認為是這樣），引力子的性質不能單純地利用光子等粒子類比。這些問題還要交給實驗和觀測去解決。有朝一日引力子被發現，或許我們離終極理論就不遠了。

探測引力波的意義，不僅僅在於驗證廣義相對論。引力波相當於給我們觀測宇宙打開了一扇全新的窗口，利用引力波的數據，我們可以獲得天體的更多信息，從而大大促進我們對物理學和天文學的研究。例如，引力波已經使得人類第一次完整地觀測到雙黑洞合併的過程。相信憑藉這個利器，我們能夠「聽」到之前所看不到的天文現象。這相當於我們探測宇宙從過去的「默片時代」進入了「有聲電影時代」。

據說，真正厲害的是十月才會報道的有電磁對應體的GW170817。儘管尚未正式公布，但是種種跡象表明，這個信號很有可能來自中子星合併。中子星也是一種緻密天體。另外，諾貝爾獎即將公布，索恩和韋斯兩位老先生能否獲獎呢？基普索恩能否獲得他的老師惠勒先生所從未得到的諾貝爾獎呢？欲知後事如何，請聽下回分解。

作者：王紀堯

校對：李鑫

配圖：沈智

編排：邱煜欣

責任編輯：解仁江

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