百年引力波的前世今生

霍光

1916年，德國《物理學(xué)紀(jì)事》發(fā)表了一篇論文，這給此后100年的時空帶來了陣陣漣漪。論文的作者是阿爾伯特·愛因斯坦，題目是《廣義相對論基礎(chǔ)》。

100年之后，美國東部時間2016年2月11日，美國國家科學(xué)基金會（NSF）與來自加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院以及科學(xué)合作組織“激光干涉引力波天文臺”（LIGO）的科學(xué)家共同宣布：LIGO于去年9月14日首次探測到引力波，證實了愛因斯坦100年前所做的預(yù)測，彌補了廣義相對論實驗驗證中最后一塊缺失的拼圖。

姍姍來遲的引力波是什么？

廣義相對論是愛因斯坦最引以為傲的成就之一。有一種說法是，愛因斯坦曾經(jīng)這樣說過：“如果我不發(fā)現(xiàn)狹義相對論，5年之內(nèi)就會有人發(fā)現(xiàn)；但如果我不發(fā)現(xiàn)廣義相對論，50年之內(nèi)都不會有人發(fā)現(xiàn)?！?/p>

如今，引力波被發(fā)現(xiàn)，再次證明了廣義相對論的重要性。那么，引力波到底是什么？為什么探測到它需要百年努力？

事實上，廣義相對論的很多推論是人們的直覺無法理解的。其中一項就是，廣義相對論中，引力被歸咎于時空的彎曲。它的意思是，我們平時看到的空間貌似是平直的，但真實的情況中，卻是像哈哈鏡里一樣扭曲的。這種扭曲是物質(zhì)造成的，質(zhì)量越大，扭曲就越大。不過，身處時空當(dāng)中的觀測者會隨著時空一起扭曲，同時扭曲程度也太小，因而人類無法直觀感覺到這種扭曲。但我們看到的平面，并不一定是物理意義上的“平面”。

我們可以把宇宙想象成一張蹦床，如果沒有任何擾動，它是平坦的。但有質(zhì)量的物體出現(xiàn)時，比如一個雞蛋，來游樂場的小孩子，或者是地球這樣的龐然大物，它就會變得彎曲。廣義相對論提出，引力的本質(zhì)，正是這種彎曲所帶來的。

如果只是彎曲還好。但如果這個大質(zhì)量物體發(fā)生變化——雞蛋被吃了，小孩子蹦走了，或者地球爆炸了——蹦床就會開始震動，這種震動就是引力波。當(dāng)然，跟著一起震動的我們也感覺不到它在震動。

事實上，上世紀(jì)60年代，馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家韋伯（JosephWeber）曾宣稱他探測到了引力波，但因后來的重復(fù)實驗一無所獲，這一發(fā)現(xiàn)并未得到認(rèn)可。從那時起，對引力波的探索從未停止過。

2016年，LIGO的發(fā)現(xiàn)，改變了百年來引力波探索一無所獲的歷史。難怪物理學(xué)家要為之痛哭流涕。

執(zhí)著的美國高校和慷慨的NSF

“它是辛苦的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮途徛?，又是震撼性的、革命性的和催化性的。?/p>

在引力波發(fā)現(xiàn)后，麻省理工學(xué)院校長L.Rafael Reif這樣評價基礎(chǔ)科學(xué)研究的價值。事實也是如此，引力波從被預(yù)言到被發(fā)現(xiàn)，花去了100年時間，單是LIGO的科研人員就用去了三十多年才探測到了短短0.2秒的信號。

LIGO的原理是什么？假設(shè)我們有兩個短跑運動員，他們在任何情況下跑步速度都一樣，那么，如果跑道因為引力波擾動，長度發(fā)生了變化——就像蹦床表面會因受力，在一個方向上拉伸一樣，他們從兩條原本長度相同的跑道上跑回來的時間就會發(fā)生些微的差異。我們就知道，空間確實在震動。在LIGO中，科學(xué)家用同源的激光來充當(dāng)短跑運動員的角色，以試圖發(fā)現(xiàn)不同方向上空間的變化。

然而，要觀測的空間的變化并不是那么簡單，震動的幅度太小，同時還受到外界環(huán)境的干擾，使得觀測到有價值的數(shù)據(jù)非常困難。LIGO建成后，經(jīng)過數(shù)次升級，不斷提升靈敏度。在LIGO最終發(fā)表的這次觀測結(jié)果中，在十幾億光年外兩個分別為29倍太陽質(zhì)量和36倍太陽質(zhì)量的超恒星級黑洞合并，僅僅帶來了0.2秒的信號。而LIGO位于路易斯安那州的列文斯頓和華盛頓州的漢福德兩地同時觀測到這一信號后，經(jīng)過反復(fù)驗證，在時隔4個月后，才發(fā)表這一結(jié)果。

對物理學(xué)家來說，這0.2秒的輕輕的一震，比《美人魚》、《星球大戰(zhàn)》乃至人類史上所有的電影加起來都好看，因為它蘊含的劇情，是宇宙誕生的畫面。我們從小都被告知一個最著名的猜想——宇宙是在一場爆炸中誕生的。這意味著，在時空的開始時，這張大蹦床有一次最劇烈的震動。引力波就能讓我們還原這個震動——它是否存在，有多大規(guī)模，諸如此類。

不過，目前看來，引力波能夠真正發(fā)揮作用的日子還很遠。可想而知，未來一段時間內(nèi)，全球科學(xué)界在引力波領(lǐng)域的科研力度和投資力度都有望增加，這也許會讓引力波與普通人的生活更快地聯(lián)系在一起。