泓宇

“引力波具有很強的穿透能力，因此它們可使我們直接觀測到超新星爆炸、伽馬射線暴和其它大量宇宙隱藏的秘密信息?！?/p>

——德國科學家伯納德-舒茨

2016年2月12日，全世界的物理學界都沸騰了——已經(jīng)在百年前就有所預言的引力波，終于被探測到了。據(jù)媒體報道，一位物理學家如此形容自己的心情：“堂堂男子漢很少哭，當時心中忽然暖流涌動，但還是強忍住沒哭。那是一種強烈的感動，感動到想哭的感覺。整個新聞發(fā)布會上，我一直強忍著?！?/p>

作為一個普通大眾，突然間“引力波”也在我們的各種社交媒體上刷屏了，但是卻很少有人知道，引力波到底是什么？為什么探測到它需要百年努力？它又能給世界帶來什么呢？

發(fā)現(xiàn)引力波的歷史過程

引力波是愛因斯坦廣義相對論所預言的一種以光速傳播的時空波動，是時空曲率的擾動以行進波的形式向外傳遞的一種方式。

1916年愛因斯坦預測了引力波的存在。當時的理論認為，引力波的討論與坐標的選取有關，因此引力波究竟是引力場的性質(zhì)或虛假坐標效應，還是從發(fā)射場中外溢的能量一直未能澄清。到20世紀50年代，與坐標選取無關的引力輻射理論出現(xiàn)并計算出愛因斯坦真空場方程的嚴格波動解，并預測粒子在引力波的作用下的運動。

20世紀60年代，美國的物理學家韋伯首先提出了一種共振型引力波探測器。該探測器由多層鋁筒構(gòu)成，直徑1米，長2米，質(zhì)量約1000千克，用細絲懸掛起來。當引力波經(jīng)過圓柱時，圓柱會發(fā)生共振，進而可以通過安裝在圓柱周圍的壓電傳感器檢測到。韋伯曾經(jīng)在相距1000千米的兩個地方同時放置了相同的探測器，只有兩個探測器同時檢測到相同的信號才被記錄下來。1968年，韋伯宣稱他探測到了引力波，立刻引起了學界的轟動，但是后來的重復實驗卻都一無所獲。

2016年2月11日，美國科研人員宣布他們利用激光干涉引力波天文臺（LIGO）“探測到引力波的存在”。當兩個黑洞于約13億年前碰撞，兩個巨大質(zhì)量結(jié)合所傳送出的擾動，于2015年9月14日抵達地球并被檢測到。這最終證實了愛因斯坦100年前所做的預測。愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最后一塊缺失的“拼圖”被填補了。

讓我們來通俗科普一下

聽了上述充滿“科學”色彩的講述，雖然專業(yè)、嚴謹，但是恐怕有些讀者會說，太深奧了，我看不太懂！所以經(jīng)過專業(yè)的科普，下面我們再給大家通俗地科普一下。

首先，問一個問題，大家是否還記得引力是什么嗎？

很多人對引力的課本記憶還停留在“重力”，重復了一千遍的“一顆蘋果砸到牛頓腦袋上”的故事。普通人對引力的理解，應該是“兩個物體天生就有互相吸引靠近的力，叫做引力”。這是一個必須被糾正的常識，引力并不是一種“力”，它是一種屬性，我們生存的宇宙空間（嚴格來說是時空，時間空間互相影響，不可分割）的一種幾何特性。

很多人會認為空間是獨立于任何東西存在的。就像一個空曠的舞臺，沒人的時候存在，有人的時候也存在，臺上會有各種表演，或者堆滿了各式道具，而無論上面發(fā)生了什么，都是表演者和道具的事，舞臺不受影響。由此展開去，大家似乎也理所應當?shù)卣J為，空間是我們棲身的地方，無論在地球還是在宇宙，“舞臺”本身是永恒的獨立存在。但是后來，科學家們發(fā)現(xiàn)“舞臺”并不是不受任何影響，“舞臺”會因有質(zhì)量物體的存在而“彎曲”。

空間會彎曲，而不是平整的？空間可以被“掰彎”，這聽起來有點不可思議，有人不禁要說證據(jù)何在呢？

日食可以證明光線“可彎”

證據(jù)之一就是眾所周知的日食現(xiàn)象。大家都知道理論上光線是沿直線傳播的，但實際中有時候看到光線也會發(fā)生“彎曲”，其實并不是光本身發(fā)生了彎曲，而是空間發(fā)生了彎曲，即光走的路是“彎”的。

牛頓力學認為月球繞地球運轉(zhuǎn)是因為月球受到地球引力的吸引，但廣義相對論則認為是地球的質(zhì)量扭曲了附近的時空，月球在彎曲時空以最自然的方式運行，走出了一條繞地球運轉(zhuǎn)的曲線。就如火車沿鐵軌運行一樣，當鐵軌變彎曲后，火車自然沿彎曲的鐵軌運行。

1911年愛因斯坦預言，當恒星的光非常接近太陽時，太陽的引力將會有一個小小的偏離，并第一次提出這種恒星光線的彎曲是可以測量的。

1915年愛因斯坦的廣義相對論發(fā)表，并計算出星光在穿過太陽附近時所產(chǎn)生的偏折角度為1.75角秒。光線在引力場中的彎曲，廣義相對論計算的結(jié)果比牛頓理論正好大了1倍，愛丁頓和戴森的觀測隊利用1919年5月29日的日全食進行觀測的結(jié)果，證實了廣義相對論是正確的。

時空震蕩引力波

說完了引力，再來說說引力波。引力波不是一般意義上的“波”，而是空間持續(xù)的扭曲震蕩?？臻g可以被扭曲，因為有質(zhì)量物體的存在。那超大質(zhì)量物體，可以把空間扭曲到什么程度？

黑洞這種理論預言存在的天體，可以把空間扭曲成一個“無底洞”，任何東西只要“掉進去”就再也出不來。如果兩個黑洞，互相旋轉(zhuǎn)，持續(xù)不斷扭曲周圍的時空，就可以引發(fā)時空震蕩。而時空震蕩，就是新聞里說的引力波。

一句話解釋，引力是空間“被掰彎”的程度，數(shù)學定義叫曲率，而彎曲的程度受物質(zhì)質(zhì)量的影響，兩個超大質(zhì)量的物體互相旋轉(zhuǎn)，周圍被彎曲的空間就會發(fā)生持續(xù)的拉伸和收縮震蕩。

這次探測到的引力波是由13億光年之外的兩顆黑洞在合并的最后階段產(chǎn)生的。兩顆黑洞的初始質(zhì)量分別為29顆太陽和36顆太陽，合并成了一顆62倍太陽質(zhì)量高速旋轉(zhuǎn)的黑洞，虧損的質(zhì)量以強大的震蕩，也就是引力波的形式釋放到宇宙空間，經(jīng)過13億年的漫長旅行，終于抵達了地球，并被美國的LIGO探測到。

LIGO在向愛因斯坦致敬？

LIGO的全名叫做“激光干涉引力波天文臺”，由兩個探測器構(gòu)成，一個在華盛頓州的漢福特，另一個在路易斯安那州的列文斯頓。這兩個探測器由兩個長達4千米的光學腔，或稱懸臂構(gòu)成，排成L型。如果沒有引力波的影響，激光在兩個光學懸臂中到達探測器時保持嚴格的180°相位差，這時沒有信號產(chǎn)生。垂直于探測器平面?zhèn)鞑サ囊Σ〞茐倪@一相消干涉。在前一個半周期內(nèi)，引力波會縮短其中一個光學懸臂而將另一個加長；在后半個周期內(nèi)，這個過程被反轉(zhuǎn)過來。懸臂長度的變化會改變兩束激光的相位差，破壞相消干涉，使光探測器檢驗出信號。LIGO的研究人員可以利用這樣兩種干涉來排除其他干擾信號（例如地表震動帶來的波），這種干擾信號一般不能同時作用于兩個探測器。

LIGO實驗系統(tǒng)的靈敏度非常優(yōu)異，以至于精度可以達到兩個光學懸臂長度相差一個原子核量級都能夠感知。對LIGO實驗組來說，最大的挑戰(zhàn)是探測器噪音，主要來自于地面震動波，熱運動以及光子入射噪音。這些擾動可以輕易掩蓋我們想要尋找的引力波微弱信號。2015年，LIGO完成了升級，針對頻率在100-300 赫茲的波，優(yōu)化了3-5個參數(shù)標準，而針對60赫茲以下的波，優(yōu)化了超過10個參數(shù)標準。這些改進使得探測器更容易分別不同的波動來源，這對尋找引力波尤其關鍵。

2015年9月14日，改進版LIGO剛剛工作兩天，實驗人員就發(fā)現(xiàn)了用肉眼都可以分辨的強烈信號。信號中最強烈的部分持續(xù)了約0.2秒，在兩個探測器中均發(fā)現(xiàn)了此信號，信號噪聲比為24。研究人員將這世界上第一個引力波信號很恰當?shù)姆Q作GW150914（Gravitational Wave+日期），此時距離愛因斯坦廣義相對論發(fā)現(xiàn)100周年紀念日僅僅不到兩個月。

最后讓我們再引用兩位科學家的評價，讓大家深刻理解一下發(fā)現(xiàn)引力波的重大意義所在——

“通過這項發(fā)現(xiàn)，我們?nèi)祟愰_啟了一場波瀾壯闊的新旅程：一場對于探索宇宙那彎曲的一面（從彎曲時空而產(chǎn)生的事物和現(xiàn)象）的旅程。黑洞的碰撞和引力波的觀測正是這個旅程中第一個完美的范例?！薄鞫鳎↘ip Thorne）

“引力波的直接探測實現(xiàn)了50年前就設定好了的偉大目標：直接探測難以捕捉的事物，更好地理解宇宙，以及，在愛因斯坦廣義相對論100周年之際完美地續(xù)寫愛因斯坦的傳奇?！?——加州理工學院，LIGO天文臺的執(zhí)行官萊茲（David H. Reitze）