引力波來襲

北辰

正月初五是中國傳統(tǒng)迎財(cái)神的日子。但2016年的這一天，不僅中國，全世界的物理學(xué)界都沸騰了，仿佛迎來了它們的“財(cái)神”——被預(yù)言已經(jīng)百年的引力波，終于被探測到了。一位物理學(xué)家甚至這樣形容自己的心情：“在新聞發(fā)布會(huì)上，我的心中就暖流涌動(dòng)，那是一種強(qiáng)烈的感動(dòng)，感動(dòng)到想哭的感覺?！?/p>

相信大家都已經(jīng)被各種社交媒體上的“引力波”洗腦了，可能你已經(jīng)了解了什么是引力波，但為什么探測到它需要百年努力？它又能給世界帶來什么？

相對(duì)論的一百年

1916年，偉大的愛因斯坦正式發(fā)表相關(guān)論，這是關(guān)于時(shí)空和引力的理論。相對(duì)論顛覆了人類對(duì)宇宙和自然的常識(shí)性觀念，提出了時(shí)間和空間的相對(duì)性。它涉及到四維時(shí)空和彎曲空間等全新的概念，把我們的認(rèn)知提升到了一個(gè)新的高度。

在此后的100年時(shí)間里，相對(duì)論獲得了巨大的發(fā)展，它所預(yù)言的科學(xué)原理一個(gè)個(gè)被驗(yàn)證：光線彎曲被證明了，時(shí)間變慢也被證明了，而且還應(yīng)用在GPS定位系統(tǒng)……但是，相對(duì)論還缺乏最重要的一項(xiàng)驗(yàn)證，那就是引力波是否存在。

2016年，相對(duì)論發(fā)表一百周年之際，物理學(xué)家最大的期盼就是找到引力波，讓相對(duì)論變得十全十美，以此作為向愛因斯坦獻(xiàn)上的一份厚禮。

今天，即便是最不相信這位老頭言論的人恐怕也不得不承認(rèn)，引力波的出現(xiàn)讓愛因斯坦贏得了徹底的勝利。盡管他的相對(duì)論與牛頓的的經(jīng)典力學(xué)存在著一些抵觸，盡管引力波屬于相對(duì)論的范疇，但引力波依然在相對(duì)論與經(jīng)典力學(xué)將架起了一座橋梁，讓兩者相互包容，也讓相對(duì)論變得十全十美。

有人說，愛因斯坦不是地球人，他那個(gè)偉大的頭腦屬于擁有高智慧的外星人。現(xiàn)在看來，這番評(píng)價(jià)也許并不夸張，愛因斯坦讓我們對(duì)時(shí)間、空間，以及對(duì)宇宙，有了全新的認(rèn)識(shí)。引力波的發(fā)現(xiàn)，給地球帶來了巨大的震動(dòng)，這不僅涉及到科學(xué)本身，同樣也波及了人類心中固有的觀念。

尋找引力波的巨擘

早在20世紀(jì)60年代，美國人就打造了第一架實(shí)際投入應(yīng)用的引力波探測器——一個(gè)鋁質(zhì)實(shí)心圓柱。隨后，更為高級(jí)且復(fù)雜的鋁質(zhì)圓柱形探測器也出現(xiàn)了。不過，它們并沒有提供什么實(shí)質(zhì)性的探測結(jié)果。20世紀(jì)70年代之后，美國的激光干涉引力波探測器開始登場，幾乎與此同時(shí)，法國和意大利也建造了一個(gè)類似的探測設(shè)備。

如果說鋁質(zhì)實(shí)心圓柱是第一代引力波探測器的話，那么激光干涉引力波探測器就屬于第二代。此次找到引力波的就是激光干涉引力波天文臺(tái)（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO），這是分別位于美國路易斯安那州的列文斯頓和華盛頓州的漢福德的兩個(gè)引力波探測器。

1991年，麻省理工學(xué)院與加州理工學(xué)院在美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）的資助下，開始聯(lián)合建設(shè)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）。1999年11月，LIGO建成，耗資3.65億美元。2005-2007年，科學(xué)家對(duì)它又進(jìn)行了升級(jí)改造，采用了更高功率的激光器，以及更為強(qiáng)大的減振器。但在此期間，LIGO并未能找到引力波存在的可靠證據(jù)。直到2015年，最新的激光干涉引力波天文臺(tái)正式上線，來自十多個(gè)國家，超過1000名科研人員參與了該設(shè)備的運(yùn)作。針對(duì)LIGO所做的不斷升級(jí)改造，終于讓人類如愿以償。

激光干涉引力波天文臺(tái)主要部分是兩個(gè)互相垂直的長臂，每個(gè)臂長4000米，并架有大量的反射鏡。激光在反射鏡中來回發(fā)射，就會(huì)形成干涉條紋，當(dāng)有引力波穿過時(shí)，一個(gè)方向的空間便會(huì)被拉伸，而與之成一定角度的另一個(gè)方向的空間則會(huì)被壓縮。出現(xiàn)這樣的情況會(huì)導(dǎo)致反射鏡發(fā)生細(xì)微角度的旋轉(zhuǎn)，致使反射鏡間的距離發(fā)生變化，也就是說，正是這些改變證明了引力波的存在。不過，這樣的變化其實(shí)是非常細(xì)微的。當(dāng)引力波來臨時(shí)，即便是地球這樣的龐然大物，它直徑的變化也只會(huì)是一個(gè)原子那么大小而已，因此，探測器必須極其靈敏。

也許有人會(huì)猜想，究竟這次發(fā)現(xiàn)引力波是哪一處探測器的功勞。事實(shí)上，兩個(gè)探測器都探測到了引力波，而且數(shù)據(jù)一致，因此結(jié)果非?？煽?。

當(dāng)然，科學(xué)家并沒有因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了引力波就輕易滿足，為了避免地面干擾，他們還準(zhǔn)備將引力波探測引入空間時(shí)代。一個(gè)由美國宇航局和歐洲空間局聯(lián)合承擔(dān)的，名為激光干涉太空天線（Laser Interferometer Space Antennaa，LISA）的項(xiàng)目，已于2015年12月3日正是發(fā)射升空，這是人類第一座太空中的引力波天文臺(tái)。

伴隨著探測技術(shù)的發(fā)展，探測設(shè)備開始升入宇宙空間，尋找引力波的科學(xué)競賽規(guī)模越來越大，參與者越來越多。

峰回路轉(zhuǎn)的經(jīng)歷

盡管人類搜尋引力波的步伐從未停止，但在這條道路上，我們建造了太多的設(shè)備，走過了太多的彎路。

早在1916年，愛因斯坦在提出廣義相對(duì)論時(shí)就預(yù)言了引力波的存在，同時(shí)他也認(rèn)為引力波非常微弱，人類可能永遠(yuǎn)無法探測到它。探測引力波的難度確實(shí)非同一般，在2016年之前，廣義相對(duì)論中預(yù)言的其他科學(xué)效應(yīng)被科學(xué)家一個(gè)個(gè)檢驗(yàn)出來，而引力波，至多只是發(fā)現(xiàn)了有關(guān)的蛛絲馬跡。

1973年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一對(duì)雙脈沖星——PSR1913+16，它們彼此靠得很近，相互繞轉(zhuǎn)?？茖W(xué)家認(rèn)為，它倆會(huì)越靠越近，最終融合在一起。實(shí)際觀測證明，這對(duì)雙星的引力波輻射導(dǎo)致了系統(tǒng)動(dòng)能損失，進(jìn)一步表現(xiàn)為雙星軌道周期的逐漸減小，而減小的程度符合了科學(xué)家的理論計(jì)算，這間接證明了引力波的存在。

而在地球南極，人類還有一個(gè)望遠(yuǎn)鏡從微波角度研究宇宙，這種研究叫做宇宙泛星系偏振背景成像（BICEP）。雖然這個(gè)研究并沒有觀測到激烈天體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的引力波，但是它卻找到了宇宙大爆炸之時(shí)產(chǎn)生的引力波——原初引力波！原初引力波歷經(jīng)137億年，至今仍在宇宙中回蕩。它們會(huì)在宇宙微波背景上留下印跡，讓宇宙微波背景輻射產(chǎn)生偏振，并形成螺旋狀的特殊形態(tài)，這種偏振名為B模式偏振。

當(dāng)時(shí)，科學(xué)家曾為此興奮不已，并很快宣布發(fā)現(xiàn)了原初引力波。但最終證明，數(shù)據(jù)的微小波動(dòng)可能只是源于設(shè)備出現(xiàn)的一次故障。

正因?yàn)樵O(shè)備可能出現(xiàn)故障，此后人們對(duì)是否存在引力波的求證更為謹(jǐn)慎。其實(shí)從2015年9月開始，坊間就有大量有關(guān)LIGO探測到引力波的傳言，但鑒于引力波的特殊身份和重大意義，以及南極望遠(yuǎn)鏡之前鬧出的烏龍事件，激光干涉引力波天文臺(tái)項(xiàng)目組一直沒有對(duì)此給出過明確答復(fù)。直到今年2月12日（北京時(shí)間），經(jīng)過了近半年時(shí)間的嚴(yán)格論述和驗(yàn)證，美國國家科學(xué)基金會(huì)才正式宣布，他們發(fā)現(xiàn)了由兩個(gè)黑洞于13億年前相互撞擊引發(fā)的引力波。

地球聾人聽到了引力波

在蒼茫浩瀚的宇宙中，地球這顆星球是非常奇妙且獨(dú)特的，它孕育了人類這樣的高級(jí)動(dòng)物。人類借助五官，可以了解周圍的事物，但這范圍顯然還很小，我們對(duì)于宇宙的感知能力明顯不足。于是，人類又發(fā)明了各種各樣的探測器，以此認(rèn)識(shí)更為寬廣的環(huán)境。

在最近的十幾年中，我們的天文探測技術(shù)越來越高，不僅光學(xué)望遠(yuǎn)鏡獲得了很多其他技術(shù)的支持，變得越來越強(qiáng)大，在電磁波的其他方面，我們也都取得了較大的發(fā)展——紅外線望遠(yuǎn)鏡、紫外線望遠(yuǎn)鏡、X射線望遠(yuǎn)鏡、伽馬射線望遠(yuǎn)鏡相繼出現(xiàn)。它們的出現(xiàn)雖然宣告著天文學(xué)已經(jīng)進(jìn)入到了全波天文學(xué)時(shí)代，但按照物理學(xué)理論，這并不是探測宇宙的全部窗口，還有另外兩扇天窗亟待打開，它們是不屬于電磁波范疇的中微子和引力波。

當(dāng)相對(duì)于我們來說的宇宙深處發(fā)生激烈的變化時(shí)，不僅會(huì)產(chǎn)生中微子，也會(huì)產(chǎn)生引力波。如果僅憑電磁波探測宇宙，顯然無法全面了解它的精彩。

1987年，探測器探測到超新星1987A的爆發(fā)，人類終于借此打開了中微子探測這扇天窗。按照道理，當(dāng)時(shí)的引力波探測器也該接收到超新星爆發(fā)的訊息，但是探測器卻毫無反應(yīng)，引力波這扇天窗遲遲不能打開。

如今，我們終于發(fā)現(xiàn)了引力波，終于擁有了另一種觀測宇宙的工具。在發(fā)現(xiàn)引力波之前，我們?cè)谟钪嬷兄荒芩闶敲@啞人，一直在推測宇宙“聲音”的存在，而今則真正聽到了聲音。引力波是一種方式，一種看待宇宙的全新方式。

宇宙的漣漪

如果我們把宇宙空間想象成一塊布匹，那么任何一顆星球都會(huì)在這塊布匹上壓出凹坑。當(dāng)然，凹坑的大小是和其質(zhì)量成正比的，質(zhì)量越大，引力越大，壓出的凹坑也就越大。因此我們不難想象，如果某個(gè)或某些天體發(fā)生了劇烈的運(yùn)動(dòng)，比如爆發(fā)或者撞擊，那么這塊布匹也會(huì)隨之發(fā)生顫動(dòng)，這種顫動(dòng)就是引力波（當(dāng)然，這種顫動(dòng)是在球面上發(fā)生的，而非平面）。盡管引力波會(huì)像水波那樣蕩漾，在宇宙中泛起漣漪，但作為宇宙中的滄海一粟，可憐的人類完全感覺不到這種變化——第一，我們?cè)诟计プ鱿鄬?duì)顫動(dòng)；第二，這種顫動(dòng)實(shí)在太過微小，我們完全無感。

按照廣義相對(duì)論，只有發(fā)生極端宇宙事件才會(huì)產(chǎn)生引力波，這種極端宇宙事件在我們的銀河系內(nèi)平均每1萬年才會(huì)發(fā)生1次。不過在廣袤的宇宙中，天體發(fā)生激烈運(yùn)動(dòng)的機(jī)會(huì)還是很多的，超新星的引力坍縮、大爆炸留下的背景輻射、脈沖星的自轉(zhuǎn)，以及其他星系內(nèi)的超大質(zhì)量黑洞的合并等都會(huì)發(fā)出引力波。而這次，人類探測到的引力波就來源于13億年前兩個(gè)黑洞的大碰撞。

13億年前的大碰撞

13億年前，在遙遠(yuǎn)的宇宙中，有一對(duì)黑洞相互繞轉(zhuǎn)。它們圍繞著公共的引力中心環(huán)繞著對(duì)方運(yùn)動(dòng)，就像是跳探戈一樣。不過，它們的旋轉(zhuǎn)速度卻越來越快，軌道越來越小，最終發(fā)生碰撞，合并成了一個(gè)大黑洞。這次震撼宇宙的大爆炸，產(chǎn)生了強(qiáng)大的引力波，它們向四周飛速擴(kuò)散，亟不可待地向全宇宙宣布這個(gè)合并消息。

原本這兩個(gè)黑洞的質(zhì)量分別是26和39個(gè)太陽質(zhì)量，合并之后則是62個(gè)太陽質(zhì)量。其中，有3個(gè)太陽質(zhì)量的物質(zhì)在那一瞬間灰飛煙滅，它們化身為其他能量和引力波。其他能量逃不出黑洞的引力，被黑洞重新吸收，只有引力波逃出了黑洞的束縛。這一波新的宇宙漣漪以光速穿過無數(shù)的星系和星球，終于在13億年后，來到了地球。

13億年前，地球上還只有低等的藻類，可現(xiàn)在已經(jīng)有了人類，而人類也僅僅只是在100年前預(yù)感到宇宙中可能存在引力波。盡管如此，人類還是煞費(fèi)苦心，建造了激光干涉引力波天文臺(tái)這樣的精密設(shè)備來迎接它們。就在這看似荒誕的故事中，兩個(gè)相距3000千米的設(shè)備，在7毫秒內(nèi)，都接收到了引力波，而這個(gè)引力波源就被稱為GW150914——2015年9月14日（更具體的時(shí)間是17點(diǎn)50分45秒），就是在這個(gè)歷史性的時(shí)刻，地球人類首次探測到引力波，地球聾人首次聽到了宇宙中的大動(dòng)靜。

引力波GW150914的先頭部隊(duì)在經(jīng)過探測器時(shí)，讓它的頻率在0.2秒內(nèi)從35赫茲迅速增加到150赫茲，并在記錄紙上留下了曲線。這個(gè)數(shù)據(jù)告訴我們，在短短的0.2秒內(nèi)，黑洞的繞轉(zhuǎn)速度從每秒35圈迅速提高到每秒150圈，這個(gè)速度也就是兩個(gè)黑洞發(fā)生撞擊前的最終速度。

盡管地球周圍已然恢復(fù)了平靜，但GW150914的先頭部隊(duì)還在一往無前地奔跑著。也許在宇宙中，存在著仍然相對(duì)低等的生物，它們可能完全不知道宇宙中發(fā)生的這次大事件。也許，也有比人類更加智慧的生物，它們?cè)趦蓚€(gè)黑洞開始繞轉(zhuǎn)之初，就探測到了微弱的引力波，并推測出了最終撞擊的時(shí)刻。也許和它們相比，人類的聽力仍然差得可憐，但至少現(xiàn)在，我們已經(jīng)能夠聽到來自宇宙的聲音。

歷史的軌跡告訴我們，每當(dāng)有一扇新的窗口被人類打開時(shí)，都會(huì)伴隨著至關(guān)重要的發(fā)現(xiàn)。雖然LIGO的探測能力還非常有限，但它已經(jīng)為我們撬開了引力波世界的一小道縫隙。播種者在春天撒下種子的時(shí)候，經(jīng)驗(yàn)會(huì)告訴他，豐收就在不久后的秋天。