引力波：時(shí)空的舞蹈

榮智慧

2017年10月頒布的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，可以說(shuō)是最缺少懸念的獎(jiǎng)項(xiàng)：麻省理工學(xué)院的萊納·魏斯、加州理工學(xué)院的巴里·巴里什和基普·索恩，三人共享900萬(wàn)瑞典克朗（約合110萬(wàn)美元）的獎(jiǎng)金。他們所在的美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）探測(cè)到了引力波的真實(shí)存在，驗(yàn)證了阿爾伯特·愛(ài)因斯坦一個(gè)世紀(jì)前的預(yù)測(cè)。

2015年9月，LIGO探測(cè)到了兩個(gè)遙遠(yuǎn)的黑洞碰撞時(shí)所造成的時(shí)空扭曲。該項(xiàng)發(fā)現(xiàn)于2016年2月對(duì)外公布，證實(shí)科學(xué)家能夠“聽(tīng)到”宇宙中一些劇烈事件所發(fā)射出的時(shí)空震動(dòng)。

要明白引力波，先要知道黑洞是怎么回事。黑洞是廣義相對(duì)論最為極端的理論預(yù)言，廣義相對(duì)論描述了物質(zhì)和能量如何讓時(shí)空幾何發(fā)生彎曲，就像一個(gè)胖子睡在床上，床墊就會(huì)凹下去。引力波的產(chǎn)生常常和黑洞有關(guān)，當(dāng)物質(zhì)在時(shí)空中運(yùn)動(dòng)時(shí)，附近的曲率就會(huì)隨之改變。大質(zhì)量物體運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的曲率變化，會(huì)以光速像波一樣向外傳播，這一傳播現(xiàn)象就是引力波，產(chǎn)生引力波的典型場(chǎng)景就是兩個(gè)黑洞合二為一。

百年追尋

引力波的存在，早在1916年便已經(jīng)由愛(ài)因斯坦預(yù)言，當(dāng)時(shí)愛(ài)因斯坦證明了加速下的大質(zhì)量物體將會(huì)扭曲時(shí)空，并產(chǎn)生從該源頭發(fā)出的時(shí)空漣漪。這種“漣漪”將以光速穿過(guò)宇宙，攜帶著關(guān)于產(chǎn)生它們的災(zāi)難性事件和引力本質(zhì)的珍貴信息。

1936年，愛(ài)因斯坦寫(xiě)了一篇論文說(shuō)引力波并不存在，當(dāng)時(shí)這篇論文已經(jīng)投給了《物理評(píng)論》，然而進(jìn)行評(píng)議的數(shù)學(xué)家、普林斯頓大學(xué)物理學(xué)教授霍華德·P·羅伯森發(fā)現(xiàn)了其中一些錯(cuò)誤，于是文章被退了回來(lái)。

愛(ài)因斯坦對(duì)自己的文章被拿去評(píng)議感到十分憤怒，準(zhǔn)備把它發(fā)表到《富蘭克林研究所雜志》，這個(gè)雜志馬上就接受了，準(zhǔn)備原文照發(fā)。這時(shí)候羅伯森找到愛(ài)因斯坦的助手，跟他說(shuō)愛(ài)因斯坦那篇論文是錯(cuò)誤的，要他去說(shuō)服愛(ài)因斯坦。愛(ài)因斯坦最終被說(shuō)服了，急忙給《富蘭克林研究所雜志》寫(xiě)信要求暫緩發(fā)表論文，隨后寄去了修改過(guò)的論文，論文的結(jié)論變成了“引力波是存在的”。在論文注釋中，愛(ài)因斯坦感謝了羅伯森教授的指正。

1969年，馬里蘭大學(xué)帕克分校的物理學(xué)家約瑟夫·韋伯發(fā)明了“韋伯棒”：一個(gè)大約2米長(zhǎng)和1米直徑的鋁合金圓筒，當(dāng)被引力波擊中時(shí)，它就“響了”。當(dāng)然，實(shí)際的情形可要復(fù)雜得多，“韋伯棒”往往探測(cè)到的是各種噪音。

雖然物理學(xué)家們普遍不看好引力波探測(cè)（因?yàn)橐Σǚ浅Ｎ⑷酰驗(yàn)轫f伯幾乎是當(dāng)時(shí)僅有的行動(dòng)者，他還是引起了人們的一些興趣，基普·索恩也是這時(shí)候加入引力波探測(cè)的隊(duì)伍的。據(jù)說(shuō)在整個(gè)20世紀(jì)60年代，廣義相對(duì)論會(huì)議上一句常用的問(wèn)候就是：韋伯探測(cè)到引力波了嗎？

可惜的是，引力波一直未能在實(shí)驗(yàn)上直接被檢測(cè)到。反而是對(duì)脈沖雙星PSR B1913+16的研究，間接地證明了引力波的存在。美國(guó)人約瑟夫·泰勒和拉塞爾·赫爾斯于1974年發(fā)現(xiàn)了PSR B1913+16（他們也因此獲得了1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）。這個(gè)雙星系統(tǒng)公轉(zhuǎn)周期的逐步縮短，與能量的消失有關(guān)，而消失的能量轉(zhuǎn)化成了引力波。

1984年，加利福尼亞理工學(xué)院的物理學(xué)家基普·索恩和朗納·德瑞福，與麻省理工學(xué)院的萊納·魏斯在激烈競(jìng)爭(zhēng)之后，提交了聯(lián)合設(shè)計(jì)、使用“激光干涉測(cè)量技術(shù)”的探測(cè)器尋找引力波的計(jì)劃。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）在1990年批準(zhǔn)了LIGO的建設(shè)，并在1992年為實(shí)驗(yàn)的雙探測(cè)器選擇了兩個(gè)地點(diǎn)：華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的利文斯頓。這兩個(gè)設(shè)施于1999年完成，并于2001年開(kāi)始收集數(shù)據(jù)。2010年，探測(cè)器關(guān)閉升級(jí)，這期間沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何引力波的跡象。

在2010年與2015年之間，LIGO經(jīng)歷了大幅度改良，升級(jí)后的探測(cè)器被稱為“aLIGO”，于2015年再次開(kāi)啟運(yùn)作。2016年2月11日，LIGO科學(xué)團(tuán)隊(duì)宣布，人類(lèi)首次直接探測(cè)到引力波，所探測(cè)到的引力波源自雙黑洞合并，兩個(gè)黑洞分別估計(jì)為29及36倍太陽(yáng)質(zhì)量。同年6月15日，LIGO又表示，第二次直接探測(cè)到引力波。今年8月17日，LIGO第一次直接探測(cè)到來(lái)自雙中子星合并的引力波信號(hào)。這些探測(cè)結(jié)果，更加證實(shí)了廣義相對(duì)論的正確。

了不起的引力波

LIGO的行動(dòng)，正在重構(gòu)人們對(duì)黑洞理解的基礎(chǔ)。讓我們想象如下的場(chǎng)景：大約30億年前，地球還是一個(gè)充滿原始大陸的海洋世界，唯一的居民就是單細(xì)胞生物。這時(shí)，一對(duì)黑洞開(kāi)始了旋轉(zhuǎn)舞蹈，并在一個(gè)非常非常遙遠(yuǎn)的地方相撞，留下一個(gè)比太陽(yáng)還要重50倍的黑洞，沒(méi)有光線逃逸出來(lái)。事情本來(lái)會(huì)消失在無(wú)垠的太空，但是，它們產(chǎn)生的引力波正以光速向外傳播，并在近期光臨了地球，進(jìn)入最先進(jìn)的引力波探測(cè)儀———LIGO之中。

對(duì)于觀測(cè)者和科學(xué)家來(lái)說(shuō)，LIGO的測(cè)量和計(jì)算實(shí)際非常簡(jiǎn)單，掌握了一些基本物理知識(shí)的人就可以搞定。看到這里人們不免要問(wèn)，把諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C給“引力波”，意義到底在哪里？

這就要回到人類(lèi)觀測(cè)宇宙的歷史了：在射電天文學(xué)和X射線天文學(xué)來(lái)臨前的30年代，我們的宇宙知識(shí)幾乎全部來(lái)自光。光讓我們看到的是一個(gè)安寧?kù)o寂的宇宙，充滿了耀眼的恒星和在軌道上平穩(wěn)運(yùn)行的行星。它們默默地發(fā)著光，過(guò)數(shù)百萬(wàn)或者數(shù)十億年才會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的變化。

上世紀(jì)50～70年代的射電波和X射線的觀測(cè)，打破了這種平靜的宇宙觀，讓我們看到了一個(gè)劇烈活動(dòng)的宇宙：從星系核噴射出氣流，類(lèi)星體閃耀著比銀河系還亮的光，脈沖星射出以光速旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)烈輻射束……光學(xué)望遠(yuǎn)鏡看到的是太陽(yáng)、行星和少數(shù)鄰近的寧?kù)o恒星，射電望遠(yuǎn)鏡看到的最亮天體是遙遠(yuǎn)星系中心的猛烈爆炸。

這就有點(diǎn)像一位公安偵查人員，如果架起一臺(tái)高倍望遠(yuǎn)鏡，那么看到的是嫌犯的表情、動(dòng)作；如果在犯罪嫌疑人家里裝上竊聽(tīng)器，聽(tīng)到的就是嫌犯的聲音、對(duì)話。與射電波和X射線相比，引力波將給我們的宇宙認(rèn)識(shí)帶來(lái)更大的革命。

產(chǎn)生引力波最強(qiáng)烈的場(chǎng)景，往往是時(shí)空曲率的大尺度相干震蕩（比如兩個(gè)黑洞的碰撞和結(jié)合）以及大量物質(zhì)大規(guī)模的相干運(yùn)動(dòng)（比如相互圍繞的兩個(gè)中子星的螺旋式碰撞和結(jié)合），所以引力波向我們展現(xiàn)的都是宏觀上的大曲率、大質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)。而且，像宇宙的大爆炸起源、黑洞的碰撞、超新星爆發(fā)中心產(chǎn)生新生中子星、并發(fā)出大量脈沖的這些場(chǎng)域，周?chē)蓟\罩著厚厚的、能吸收電磁波的物質(zhì)層，但又由于這一類(lèi)事件往往具有強(qiáng)引力的特征，使得引力波的探測(cè)成為可能。

因此，引力波帶來(lái)的是一個(gè)“聽(tīng)覺(jué)”上的宇宙，那里有大爆炸、大震蕩和大沖撞，這是以往的探測(cè)手段所發(fā)現(xiàn)不了的。引力波必將改變我們對(duì)宇宙的看法。理論物理學(xué)家、亞利桑那州立大學(xué)的勞倫斯·克勞斯將LIGO的探測(cè)與望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明相比較，“這肯定會(huì)獲得諾貝爾獎(jiǎng)?！彼诮衲?月就信心十足地預(yù)測(cè)，“更重要的是，它們?yōu)槲覀兛创钪娲蜷_(kāi)了一扇新窗。”endprint