了解引力波：让我们从13亿年前谈起

　　出品 | 新浪科技《科学大家》

　　撰文 | 施郁 复旦大学物理学系教授 全国量子力学研究会副理事长。

　　2017年10月3日，瑞典皇家科学院宣布，2017年的诺贝尔物理学奖的一半授予雷纳·韦斯（Rainer Weiss），另外一半授予巴里·巴里什（Barry Clark Barish）和基普·索恩（Kip Stephen Thorne），以表彰他们“为激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，缩写为LIGO）以及引力波的观测所作的决定性贡献”

　　12天前，9月21日，这三位物理学家刚刚获得复旦-中植科学奖。复旦-中植奖详细描述了每位获奖者的贡献：

　　“雷纳·韦斯（Rainer Weiss）教授：发明的激光干涉引力波探测器是LIGO装置的基础。他首次分析了探测器的主要噪声来源，并领导了LIGO仪器科学的研究，最终使LIGO达到了足够的灵敏度，在人类历史上第一次探测到了引力波。

　　基普·索恩（Kip Stephen Thorne）教授：奠定了引力波探测的理论基础，他开创了引力波波形计算以及数据分析的研究方向，并对LIGO仪器科学做出了重要贡献，特别是提出了量子计量学理论的一系列基本概念。

　　巴里·巴里什（Barry Clark Barish）教授：领导了LIGO建设及初期运行，建立了LIGO国际科学合作，他把LIGO从几个研究小组从事的小科学成功地转化成了涉及众多成员并且依赖大规模设备的大科学，最终使引力波探测成为可能。”

作者在复旦-中植奖新闻发布会上介绍获奖科学背景

　　为了理解他们的获奖成果，让我们从13亿年前谈起。

　　13亿年前，宇宙中有两个黑洞相互碰撞，而且并合成一个大黑洞，发出引力波。

　　引力波以光速向四周传播，经过13亿年在各个方向的长途跋涉，于2015年9月14日穿过诞生于45亿年前的地球。

　　在地球上，人类的演化历史，也只不过200多万年。100年多前，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）声称宇宙中存在引力波。

　　2002年， LIGO开始工作，13年后探测到代号为GW150914的引力波，事实上，在这个引力波到达两天前，升级后的LIGO刚开始工作，9月14日恰好捕捉到它，这是人类第一次直接探测到引力波。

　　波是某种振动的传播，如水波、声波等。顾名思义，引力波就是“引力的波”。引力波超越了牛顿引力理论。

　　三百多年前，艾萨克·牛顿（Isaac Newton）说，任何两个有质量的物体之间存在万有引力，而且这个引力是瞬时的，也就说，物体之间引力的传递不需要时间。牛顿解释了为什么地球围绕太阳转，为什么树上的苹果会落地。

　　然而爱因斯坦1905年创立的狭义相对论指出，任何信号的传递不可能超过光速，时间和空间成为整体，称为时空。在相互匀速运动的不同观察者看来，同一事件的时间坐标和空间坐标都不一样，但是总的时空间隔保持不变。

　　十年之后，爱因斯坦又将引力纳入相对论的框架，创立广义相对论，指出万有引力就是时空的弯曲，由此决定物质的运动。用索恩的导师、美国著名物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）的话说，

　　“物质告诉时空如何弯曲；弯曲的时空告诉物质如何运动。”

　　物质之间的引力，需要时间来传递。

星体（比如太阳与地球）之间的引力来自时空的弯曲，图片来自LIGO

　　这就好比在席梦思床垫上，一个物体引起床垫变形，变形向四周传递，导致另一个物体受力情况的改变，似乎受到前一个物体的吸引力。这个床垫扮演了类似时空的角色。

　　1916年，爱因斯坦根据广义相对论，预言了引力波。

　　引力源质量分布的改变，导致它对其他物体引力的改变，这种改变以光速传播开来，就是引力波。既然引力是时空弯曲，那么引力波也就是“时空的涟漪”，即时空弯曲情况随时间变化、在空间传播。引力波到达之处，在垂直于传播方向的平面上，任何长度都会振荡，而且在互相垂直的任意两个方向上步调相反。这些都是广义相对论的预言，所以引力波的观测也就验证了广义相对论。

　　通常物体间的引力很弱。但宇宙天体的质量巨大，所以它们之间的引力很大。理论表明，引力波主要来自宇宙中的超新星爆发、中子星和黑洞等致密天体以及宇宙大爆炸。

　　引力波很难探测，因为最强的引力波导致的相对长度变化也只有0.0…01（其中小数点后面有21个0）。

　　1974年，拉塞尔•赫尔斯（Russel Alan Hulse）和约瑟夫•泰勒（Joseph Hooton Taylor）发现引力波导致一个中子星和与之互相环绕的伴星之间的距离越来越小，因此获1993年诺贝尔物理学奖，但直到2015年，引力波还没有被直接探测到。

　　引力波如何被探测到？

　　LIGO的探测原理基于激光干涉。LIGO包括两个同样的探测器，它们相距3002公里，分别位于美国华盛顿州与路易斯安那州。两个探测器共同工作，可排除其他信号，比如地震。每个探测器是一个巨大的迈克尔逊干涉仪，有两个互相垂直的、约4公里长的臂，构成L-形。一束激光分成两束，分别进入两臂。在每个臂中，激光被两端的镜子来回反射多次。最后两束激光再叠加起来，这就是干涉。干涉的光强决定于两臂长度差，所以用来测量两臂长度差。

相距3002公里的两个巨大的迈克尔逊激光干涉仪，图片来自LIGO。

　　引力波经过探测器时，每个臂的长度都时长时短地振荡，而且步调相反，一个臂变长时，另一个变短。所以两臂长度差也在振荡，从而激光干涉的光强也在振荡。由此就可以反推出引力波的性质。

　　2015年9月14日，LIGO测到，干涉仪的臂发生了0.0……04米的长度改变（小数点后面18个0）。作为人类历史上最精密的测量，这里的测量技术与量子物理相关。

　　2016年2月12日，LIGO合作组宣布，他们于2015年9月14日探测到了引力波，它来自一个质量为36太阳质量的黑洞与一个29太阳质量的黑洞的碰撞，然后并合为一个62太阳质量的黑洞，失去的3太阳质量转化为引力波的能量。“太阳质量”是天体质量的单位，1个太阳质量意思就是说，它的质量等于太阳的质量。

　　2015年12月26日和2017年1月4日，LIGO又先后两次探测到黑洞并合产生的引力波。这次诺贝尔奖宣布6天前，9月27日，LIGO和靠近意大利比萨的引力波天文台VIRGO宣布， 2017年8月14日，LIGO和VIRGO共同探测到另一次黑洞并合产生的引力波。

　　这次诺贝尔奖宣布13天后，10月16日，LIGO和VIRGO又宣布，今年8月17日，他们第一次观测到两个中子星并合产生的引力波。这个事件还产生了短伽马射线爆，被费米和INTEGRAL这两个空间望远镜上的伽马射线探测器探测到。 全球70多个各个电磁波波段的望远镜对这个伽马射线爆的余晖进行了观测，确定它位于长蛇座的星系NGC4993。

　　LIGO探测到引力波，意义不仅在于直接验证广义相对论预言的引力波的存在，还在于开启了对强引力、随时间变化的引力以及黑洞的直接观测，打开了认识宇宙的一个新窗口。在这之前，我们关于宇宙的信息来自宇宙中传来的电磁波和粒子，如宇宙线和中微子，而引力波带来了主宰宇宙的引力的直接信息。引力波天文台与传统天文望远镜协同观测中子星并合表明，引力波和电磁波的探测可以协同进行，标志着多信使天文学的开始。

　　很多科学家对LIGO的成功作出了贡献。特别一提的是，最早提出用激光干涉仪探测引力波并作噪声分析的韦斯、对激光干涉仪的稳定性作出重要贡献的德雷弗、对引力波探测和LIGO作了很多理论工作的索恩以及建立LIGO国际合作并将其转化为大科学的巴里什。不幸的是，德雷弗于今年3月去世。