百科：百年引力波

今年，距離引力波概念的提出整整100年。在這100年里，被譽為“人類認知自然最偉大的成就”的廣義相對論，一直在成長著。我們通過這個偉大的理論知道了時空的彎曲以及一些由時空彎曲可能產生的奇異事物，比如黑洞、引力波、奇點、蟲洞甚至時間機器。在過去的某些時期，甚至現(xiàn)在，其中有些事物被不少物理學家視為洪水猛獸，對它們是否存在提出過強烈的懷疑。就連愛因斯坦本人直到逝世前都還在懷疑黑洞的存在。歷史告訴我們，人類對時間、空間和時空彎曲所產生的事物的認知會發(fā)生革命。那么，作為廣義相對論重要預言的引力波，在過去的整整一個世紀里究竟經歷了怎樣的故事呢？
　　不斷被質疑的引力波

　　經歷了一個月的理論修正后，在1915年11月25日，愛因斯坦向普魯士科學院報告了他的廣義相對論的最終形式，其中新的公式可以用來很好地解釋水星近日點進動和光線的引力偏折，自此廣義相對論最終被建立了起來。3天后，愛因斯坦無比快樂地給朋友索末菲寫信說：“在過去的一個月里，我度過了一生中最興奮、最艱苦但也是最成功的時光?！痹谥蟮哪且荒昀?，處在興奮中的愛因斯坦再接再厲，在引入線性、低速等近似之后，從廣義相對論的場方程推導出了由源的質量四極矩隨時間的變化引起的引力輻射項。并且，這種引力輻射攜帶能量。
　　這種后來被稱為引力波的引力輻射項被提出后，引起了很多物理學家的關注。但是引力波到底是一種物理實在還是僅僅是數(shù)學上的形式，大家都不清楚。在這方面第一個發(fā)表文章表態(tài)的是愛丁頓爵士，1919年他在西非普林西比島觀測日全食，證實了廣義相對論對光線偏折的預言。1922年，愛丁頓爵士發(fā)表文章表示：引力波的本質只是數(shù)學坐標的波動，并沒有實際的物理意義。簡單地說，引力波并不真實存在。在此之后，認為引力波不是物理實在的觀點，在物理學界似乎占了上風。
　　1936年6月1日，美國物理學會《物理評論》編輯部收到一封“特別”的投稿。之所以說這個稿件特別，并不僅僅是因為其作者是大名鼎鼎的愛因斯坦和他的助手羅森，而且，這個稿件有一個很吸引人的題目：“引力波（到底）存在嗎？”是的，你沒有看錯，在愛因斯坦提出引力波的20年后，他又寫了這篇關于引力波的論文。文章中，愛因斯坦認為所謂引力波只是一種數(shù)學形式而已，這種波會因引力坍縮而不復存在。他推翻了自己1916年的結論，認為引力波并不是廣義相對論的預言，也并不存在！
　　雖然此時的愛因斯坦已經名滿天下，但是秉著嚴謹?shù)目茖W精神，《物理評論》認為對于絕對權威愛因斯坦的稿件也要送審。一個多月后，審稿人霍華德·羅伯遜將審稿意見返回，寫了滿滿10頁的評論，認為愛因斯坦的稿件有嚴重問題，必須大量修改。
　　由于審稿人是匿名的，愛因斯坦并不知道審稿人是誰。雖然編輯部負責稿件處理的明尼蘇達大學教授泰德把審稿意見轉發(fā)給愛因斯坦的時候，十分客氣地希望他可以注意一下其論文里可能的錯誤， 但是愛因斯坦還是被激怒了。 他在1936年7月27日很不客氣地回了一封德文信，在這封堪稱史上最牛的作者回信中，他直接拒絕了編輯：“ 我和羅森將稿件寄給你們發(fā)表， 并沒有授權你在文章刊出之前給別的專家看。我也沒有必要回答那位匿名專家的錯誤評論，我寧可在別處發(fā)表這篇論文?！币驗榇耸录?，愛因斯坦和《物理評論》結下梁子，從此之后再也沒有給該期刊投過稿。因為愛因斯坦的名氣，后來這篇文章還是一字不改地在《本富蘭克林學院學報》上發(fā)表。
　　然而這戲劇性的事件并沒有結束，在之后的兩年中，愛因斯坦?jié)u漸發(fā)現(xiàn)自己之前的文章里面還是有問題的。在他新的助手英費爾德和同事霍華德·羅伯遜的協(xié)助下，愛因斯坦最終改正了自己的錯誤，并在1936年11月13日，重新給《本富蘭克林學院學報》編輯寫信說，之前文章是有錯誤的，文章需要根本性的修改。他修改后的文章推翻了上篇文章的結論，認為引力波還是存在的。

　　細心的讀者可能已經發(fā)現(xiàn)，那位匿名“勇敢拒絕”愛因斯坦論文的審稿人和后來默默幫助他改正錯誤的是同一個人——羅伯遜教授。事實說明，科學巨人也有犯錯的時候，同樣也需要別人的幫助。
　　事情發(fā)展到這里，似乎引力波存在的觀點又稍稍占了一點上風，畢竟愛因斯坦自己也是這么認為的。不過他還是認為，引力波雖然真實存在，但是由于其過于微弱，我們不能探測到。直到愛因斯坦1955年逝世，對于引力波到底是不是真實存在，在物理學界還是有爭論，這個問題也還是沒有被徹底解決。
　　兩年后的1957年，在北加州的教堂山舉行了一場以廣義相對論為主題的會議。在會議后期，物理學家理查德·費曼提出了一個“黏珠”思想實驗。費曼的論證是這樣的：有兩顆珠子穿在一根柱子上，并且可以自由移動，垂直于柱子方向如果有引力波經過，將會產生相對于柱子中心的潮汐力。珠子在潮汐力的作用下會相對柱子運動，如果珠子和柱子間有黏性（有摩擦），在運動時候就會產生熱。熱就是能量，能量不可能憑空產生，它的源頭只能是引力波，所以引力波不是一個數(shù)學游戲，它是攜帶能量的，是真實存在的！
　　“黏珠”思想實驗提出之后，物理界終于普遍達成共識，認為引力波確實是物理實在。那么接下來的問題是，我們如何才能找到它呢？
　　實驗嘗試和間接證據
　　引力波雖然攜帶物理能量，但是它的物理效應真的微乎其微。如圖所示，引力波穿過圓所在平面的時候，該圓會因為時空彎曲而發(fā)生畸變。圓內空間將隨引力波的頻率在一個方向上被拉伸，在與其垂直的方向相應地被壓縮，這個壓縮或者拉伸量和截面圓直徑之比被稱為引力波的強度h。為了便于解釋引力波的物理效應，圖中所顯示的應變h大約是0.5。也就是說，在h是0.5的時候，你才可以看到這么明顯的空間畸變效應。但是，現(xiàn)實中的引力波強度遠遠小于0.5。就算是很強的天體物理引力波源所釋放的引力波，其強度到達地球時也只有10-21。這是個什么概念？打個比方：這個強度的引力波在整個地球這么大的尺度上產生的空間畸變不超過10-14米，剛好比質子大10倍；或者說，在太陽到最近恒星比鄰星（4.22光年）的距離上，產生小于人類頭發(fā)絲寬度的空間畸變。可以想見，探測引力波是多么的困難！盡管如此，自教堂山會議之后的60年里，有許多物理學家和天文學家為證明引力波的存在做出了大量努力。其中最著名的要數(shù)引力波存在的間接實驗證據——脈沖雙星 PSRB1913+16。1974年，美國物理學家約瑟夫·泰勒和羅素·赫爾斯利用在波多黎各的射電望遠鏡，發(fā)現(xiàn)了由兩顆質量大致與太陽相當?shù)闹凶有墙M成的相互旋繞的雙星系統(tǒng)。非常幸運，由于兩顆中子星的其中一顆是脈沖星，利用它的精確的周期性射電脈沖信號，人們可以無比精準地知道兩顆致密星體在繞其質心公轉時它們軌道的長半軸以及周期。根據廣義相對論，當兩個致密星體近距離彼此繞旋時，該體系會產生引力輻射。輻射出的引力波帶走能量，所以系統(tǒng)總能量會越來越少，軌道半徑和周期也會變短。

　　泰勒和他的同行在之后的幾十年時間里對PSRB1913+16做了持續(xù)觀測，觀測結果令人無比振奮！雙星系統(tǒng)無比精確地按廣義相對論所預測的那樣因為引力輻射而慢慢靠近：周期每年減少76.5微秒，半長軸每年縮短3.5米。廣義相對論甚至還可以預言這個雙星系統(tǒng)將在3億年后合并。這是人類第一次得到引力波存在的間接證據，是對廣義相對論引力理論的一項重要驗證。泰勒和赫爾斯因為這個發(fā)現(xiàn)，被授予1993年諾貝爾物理學獎。
　　在實驗方面，第一個對直接探測引力波做偉大嘗試的人是美國馬里蘭大學的物理學家約瑟夫·韋伯。教堂山會議之后的兩三年里，韋伯認為通過實驗手段探測引力波并不是沒有可能，他把自己的想法付諸于行動，全身心投入在引力波探測方案的設計中。最終，韋伯選擇了一根長2米、直徑1米、重約1噸的圓柱形鋁棒，其側面指向引力波到來的方向。該類型探測器，被業(yè)內稱為共振棒探測器。
　　當引力波到來時，會交錯擠壓和拉伸鋁棒兩端，當引力波頻率和鋁棒設計頻率一致時，鋁棒會發(fā)生共振。貼在鋁棒表面的晶片會產生相應的電壓信號。但是，共振棒探測器有一個嚴重的局限性：引力波會產生時空畸變，探測器做得越長，引力波在該長度上的作用產生的變化量越大。韋伯的共振棒探測器只有2米，強度為10-21的引力波在這個長度上的應變量（2×10-21米）實在太小，對20世紀五六十年代的物理學家來說，探測如此之小的長度變化是幾乎不可能的。
　　雖然共振棒探測器沒能最后找到引力波，但是韋伯開創(chuàng)了引力波實驗科學的先河。在他之后，很多年輕又富有才華的物理學家投身于引力波實驗科學中，韋伯再也不是在引力波實驗物理學中孤軍奮戰(zhàn)的人了。
　　激光引力波探測器
　　后來的激光干涉引力波天文臺（LIGO）的主要創(chuàng)始人美國物理學家索恩，在1976年的時候對共振棒探測器還抱有信心，他和一些物理學家深信引力波的探測可能會變革我們對宇宙的認識。在1976年11月的一個晚上，索恩獨自一人漫步在美國小城帕薩迪納的街頭，內心充滿了熱情和希望。忽然一個念頭閃過他的心頭：應該建議加州理工學院建設一個引力波探測計劃。之后的幾個月里，經過一系列風險評估和成果分析，他成功說服了加州理工的物理學和天文學系組建一個團隊來建造引力波探測器。但是學校領導要求索恩必須把這個項目做大做強，并且找到一位非常優(yōu)秀的實驗物理學家來擔任這個項目的領導。經多方推薦，最后格拉斯哥大學的羅納德·德雷維爾成了索恩的合作伙伴。
　　其實早在韋伯設計建造共振棒的同時期，就有部分物理學家認識到激光干涉儀引力波探測方案的優(yōu)越性。到了20世紀70年代，加州理工學院的的雷納·韋斯以及馬里布休斯實驗室的羅伯特·佛瓦德，分別建造了小型的引力波激光干涉儀。1986年，在美國國家自然科學基金會（NSF）的建議下，這些才華橫溢的物理學家和他們的同事們被一起分成了兩個組。一個是以索恩、佛瓦德、德雷維爾為領導的加州理工小組，一個是以韋斯為領導的麻省理工小組。兩個小組分別負責建造并啟用全國性的大型科學裝置——LIGO。LIGO有兩個探測器，分別是位于美國路易斯安那州利文斯頓臂長為4千米的LIGO（L1）和位于美國華盛頓州漢福德臂長為4千米的LIGO（H1）。
　　到了20世紀 90 年代，世界各地的其他一些大型激光干涉儀引力波探測器也開始籌建，引力波探測黃金時代就此拉開了序幕。比如：位于意大利比薩附近，臂長為 3千米的VIRGO；德國漢諾威臂長為600米的GEO；日本東京國家天文臺臂長為300米的TAMA300。這些探測器在2002～2011年期間共同進行觀測，但并未探測到引力波。在經歷重大改造升級之后，兩個高新LIGO探測器于2015年9月18日開始作為靈敏度大幅提升的高新探測器網絡中的先行者進行觀測，而高新VIRGO也將于2016年年底開始運行。此外，歐洲的空間引力波項目eLISA和日本的地下干涉儀KAGRA 的研發(fā)與建設也在緊鑼密鼓地進行。
　　在過去的十幾年時間里，位于世界各地的引力波探測器就這么一直默默聆聽著來自于宇宙深處的呢喃。它們像守望者那樣，靜靜守候著引力波的到來。雖然引力波是那么微弱，微弱到這些被稱為人類建造的有史以來最靈敏的探測器都無能無力，但是我們依然抱有希望，希望人類足夠幸運，會有一陣強大到可以觸發(fā)探測器的引力波到來。
　　重大發(fā)現(xiàn)到來時
　　德國時間2015年9月14日中午11點50分45秒，就在高新LIGO正式啟動前4天，有一陣來自于遙遠宇宙深處的引力波到達了地球。這陣引力波在LIGO的兩個探測器上產生了大約4×10-18米的空間畸變。3分鐘之后，這個觸發(fā)事件被低延遲搜索方法作為引力波的候選事件匯報出來，并以郵件形式發(fā)給了位于德國漢諾威的馬克斯普朗克引力物理研究所的一位博士后馬克那里。這位來自意大利的博士后是負責整理來自LIGO的原始數(shù)據的，33歲的他在科研之余，已經出版了兩本科幻小說，同時他也彈得一手好鋼琴。就在那一刻，馬克見證了人類歷史。
　　馬克在看到該觸發(fā)事件匯報結果的第一眼，他雖然很震驚，但是卻一點都不相信這個是一個真實的信號。因為理由很簡單，這個結果好到無法讓人相信。他的第一反應是認為，這個信號可能是人工注入的假信號。那么，人工注入的假信號又是什么？原來，為了檢驗引力波信號分析科學家的分析能力， LIGO科學合作組織（LSC）內部有一個被稱為“盲注小組”的神秘團隊，雖然沒人知道他們是誰，但是他們會經常在LIGO原始數(shù)據中注入一些假信號，以檢驗團隊中數(shù)據分析專家是否能夠把這些信號找出來。這種“實戰(zhàn)演習 ”確實鍛煉了很多數(shù)據分析專家的工作能力。之前經歷過無數(shù)次“演習”的數(shù)據分析專家看到類似的疑似信號后，自然而然的反應就是：“嗯？又是人工注入的吧！”所以當時馬克看到這個信號后，第一反應是對信號保持懷疑。不過，他還是略帶興奮地來到了樓下另一位博士后安德魯?shù)霓k公室，馬克問的第一句話是：“安德魯，你知道現(xiàn)在LIGO的數(shù)據里面有人工注入信號嗎？”
　　安德魯表示自己并不知情，并開始查看數(shù)據并做了簡單的測試和分析。在確定數(shù)據沒有任何問題后，他們決定把這個消息告訴研究所的其他同事們。而此時的美國正處于午夜，那邊的同事還在美夢之中，于是他們決定再等幾個小時之后再通知美國LIGO方面的同事。大約德國時間下午三四點，安德魯?shù)碾娫挻虻搅宋挥诼芬姿拱材侵堇乃诡D的LIGO控制中心，詢問了情況。那邊的同事告訴他們，現(xiàn)在的高新LIGO還在正式運行前的最后準備階段，應該還沒有開始注入人工信號！安德魯在后來的媒體采訪中表示：“聽到美國那邊同事的回復之后，我突然意識到這有可能是人類看到的第一個引力波事件，我開始顫抖了。”
　　在接下來的幾天時間里，這個消息在LSC里一共大約1000名科研人員中傳播開來。為了科學的嚴謹和對公眾的負責，LSC決定先暫時對這個消息嚴格保密，不對外公布。在經過徹底的檢查和跟進分析之后，如果確認這是一次真實的引力波探測事件，再向全世界宣布這個震撼人心的消息。
　　經過后來幾個月的數(shù)據分析工作，LSC最終確認，這是一次置信度高達5.1倍標準差的引力波事件（如此高的置信度意味著20萬年才可能犯一次錯誤），根據LIGO的數(shù)據，該引力波事件發(fā)生于距離地球13億光年之外的一個遙遠星系中。兩個分別為36和29太陽質量的黑洞，并合為62太陽質量黑洞，雙黑洞并合最后時刻所輻射的引力波的峰值強度等于整個可觀測宇宙的電磁輻射強度的50倍。在2016年的2月11日，LSC向全人類宣布了這一消息！
　　愛因斯坦的廣義相對論自從100年前提出以來，歷經了重重考驗，從對水星近日點進動的解釋，到1919年愛丁頓對日全食時太陽附近光線偏折的研究，再到對引力紅移的驗證，每一次檢驗，相對論都從容應對。作為廣義相對論預言的引力波，在如幽靈般虛無縹緲了一個世紀后，終于被我們發(fā)現(xiàn)！
　　探測引力波的消息發(fā)布后，仿佛一夜之間，“引力波”成為了世界各地人們談論的熱點話題。筆者作為LSC中少數(shù)幾個華人科研工作者之一，也收到了很多中國媒體的采訪和約稿。人們問的最多的問題就是探測到引力波有什么意義，意味著什么？其實，我們是在找另一種光，一旦找到，意味著人類從此有了第六感，就像有了超能力，用一雙天眼飽覽神秘宇宙中無盡的奧妙。現(xiàn)在，我們，找到了！
　　【責任編輯】張小萌