引力波：時空的舞蹈

榮智慧

2017年10月頒布的諾貝爾物理學獎，可以說是最缺少懸念的獎項：麻省理工學院的萊納·魏斯（Rainer Weiss）、加州理工學院的巴里·巴里什（Barry Barish）和基普·索恩（Kip Thorne），三人將共享900萬瑞典克朗（約合110萬美元）的獎金。他們所在的美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）探測到了引力波的真實存在，驗證了阿爾伯特·愛因斯坦一個世紀前的預測。

2015年9月，LIGO探測到了兩個遙遠的黑洞碰撞時所造成的時空扭曲。該項發現于2016年2月對外公布，證實科學家能夠“聽到”宇宙中一些劇烈事件所發射出的時空振動。這一發現，被認為是天文領域的“范式革命”，人們對宇宙的觀察，開始從“看”向“聽”轉變。

“星際穿越”

要明白引力波，先要知道黑洞是怎么回事。黑洞是廣義相對論最為極端的理論預言，廣義相對論描述了物質和能量如何讓時空幾何發生彎曲，就像一個胖子睡在床上，床墊就會凹下去。引力波的產生常常和黑洞有關，當物質在時空中運動時，附近的曲率就會隨之改變。大質量物體運動時所產生的曲率變化，會以光速像波一樣向外傳播，這一傳播現象就是引力波，產生引力波的典型場景就是兩個黑洞合二為一。

2017年諾貝爾物理學獎獲得者之一基普·索恩，曾擔任克里斯托弗·諾蘭執導的電影《星際穿越》的科學顧問，影片中的黑洞被認為是“一個有史以來最精準的黑洞模型”—這個黑洞，可以說是整部電影的核心。索恩和影片的制片人琳達·奧布斯特是認識了30年的老相識，當年還是卡爾·薩根（美國著名天文學家、科普作者）給他倆安排了一場會面—討論要不要制作一部涉及黑洞與蟲洞的電影。

《星際穿越》講的是一個反烏托邦的“近未來”故事：糧食作物無法存活，人類面臨滅絕；由于土星附近出現神秘蟲洞，NASA借機將數名宇航員派遣到遙遠的星系，去尋找適合居住的星球。在琳達·奧布斯特的“牽線”之下，索恩和導演諾蘭開始接觸，探討影片涉及的物理學問題，如時空曲率，現實世界的“連接點”，以及引力如何彎曲光線。

如何讓遙遠的宇宙空間連接現實中的地球？這個問題對于索恩來說并不陌生，他在1983年時就曾向卡爾·薩根建議，用“蟲洞”解決這個連接問題。蟲洞是1930年由愛因斯坦及納森·羅森在研究引力場方程時假設的，簡單地說，“蟲洞”就是連接宇宙遙遠區域間的“細管”，連接黑洞的時空隧道。

對于《星際穿越》來說，蟲洞也是必然選擇。不過接下來的問題是，如何將蟲洞表現在銀幕上？看完劇本之后，索恩告訴諾蘭，他需要一個極大的黑洞—“巨人”（Gargantua），蟲洞就是連接這個黑洞與地球的管道。在影片里，“巨人”以接近光速旋轉著，將宇宙的物質一點點地吸引過去，一道“吸積盤”環繞著球形大漩渦。“巨人”的構想早在索恩1994年的科普專著《黑洞與時間彎曲》中，就提了出來，而“吸積盤”這個看起來像兩個蛋撻扣在一起的造型，則是因為氣流碰撞結合在一起，在離心力的作用下圍繞黑洞螺旋式下落，在旋轉中形成一個盤狀物。

索恩最后遞給諾蘭的答案是一份長長的備忘錄，上面寫滿了參考文獻和方程，看起來就跟《Nature》上的論文差不多。諾蘭的視覺效果團隊基于這些公式寫了新的渲染軟件，然后將蟲洞制作了出來，效果令人驚嘆不已—這個蟲洞就像是魔法師手里的水晶球，映射著大千宇宙的奇妙景象。

當索恩談到他最喜歡的天體物理學內容（比如黑洞的碰撞，時間的彎曲）時，會運用大量的類比（如比作兩個龍卷風相遇，或者將光線的彎曲比作風中的稻草）。但是這些類比還是有點抽象了，直到《星際穿越》的誕生，絕大多數觀眾才發現蟲洞、黑洞、扭曲的光線是如此壯麗瑰奇。

百年追尋

引力波的存在，早在1916年便已經由愛因斯坦預言，當時愛因斯坦證明了加速下的大質量物體將會扭曲時空，并產生從該源頭發出的時空漣漪。這種“漣漪”將以光速穿過宇宙，攜帶著關于產生它們的那次災難性事件和引力本質的珍貴信息。

1936年，愛因斯坦寫了一篇論文說引力波并不存在，當時這篇論文已經投給了《物理評論》，然而進行評議的數學家、普林斯頓大學物理學教授霍華德·P·羅伯森發現了其中一些錯誤，于是文章被雜志退了回來。

愛因斯坦對自己的文章竟被拿去評議感到十分憤怒，準備把它發表到《富蘭克林研究所雜志》，這個雜志馬上就接受了，準備原文照發。這時候羅伯森教授找到愛因斯坦的助手，跟他說愛因斯坦那篇論文是錯誤的，要他去說服愛因斯坦。愛因斯坦最終被說服了，急忙給《富蘭克林研究所雜志》寫信要求暫緩發表論文，隨后寄去了修改過的論文，論文的結論變成了“引力波是存在的”。在論文注釋中，愛因斯坦感謝了羅伯森教授的指正。

1969年，馬里蘭大學帕克分校的物理學家約瑟夫·韋伯發明了“韋伯棒”：一個大約2米長和1米直徑的鋁合金圓筒，當被引力波擊中時，它就“響了” 。當然，實際的情形可要復雜得多，“韋伯棒”往往探測到的是各種噪音。

雖然物理學家們普遍不看好引力波探測（因為引力波非常微弱），但因為韋伯幾乎是當時僅有的行動者，他還是引起了人們的一些興趣，基普·索恩也是這時候加入引力波探測的隊伍的。據說在整個20世紀60年代，廣義相對論會議上一句常用的問候就是：韋伯探測到引力波了嗎？

可惜的是，引力波一直未能在實驗上直接被檢測到。反而是對脈沖雙星PSR B1913+16的研究，間接地證明了引力波的存在。美國人約瑟夫·泰勒和拉塞爾·赫爾斯于1974年發現了PSR B1913+16（他們也因此獲得了1993年諾貝爾物理學獎）。這個雙星系統公轉周期的逐步減少，與能量的消失有關，而消失的能量轉化成了引力波。endprint

1984年，加利福尼亞理工學院的物理學家基普·索恩和朗納·德瑞福，與麻省理工學院的萊納·魏斯在激烈競爭之后，提交了聯合設計、使用“激光干涉測量技術”的探測器尋找引力波的計劃。美國國家科學基金會（NSF）在1990年批準了LIGO的建設，并在1992年為實驗的雙探測器選擇了兩個地點：華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的利文斯頓。這兩個設施于1999年完成，并于2001年開始收集數據。2010年，探測器關閉升級，這期間沒有發現任何引力波的跡象。

在2010年與2015年之間，LIGO經歷了大幅度改良，升級后的探測器被稱為“aLIGO”，于2015年再次開啟運作。2016年2月11日，LIGO科學團隊宣布，人類首次直接探測到引力波，所探測到的引力波源自雙黑洞合并，兩個黑洞分別估計為29及36倍太陽質量。同年6月15日，LIGO又表示，第二次直接探測到引力波。今年8月17日，LIGO第一次直接探測到來自雙中子星合并的引力波信號。這些探測結果，更加證實了廣義相對論的正確。

了不起的引力波

LIGO的行動，正在重構人們對黑洞理解的基礎。讓我們想象如下的場景：大約30億年前，地球還是一個充滿原始大陸的海洋世界，唯一的居民就是單細胞生物。這時，一對黑洞開始了旋轉舞蹈，并在一個非常非常遙遠的地方相撞，留下一個比太陽還要重50倍的黑洞，沒有光線逃逸出來。事情本來會消失在無垠的太空，但是，它們產生的引力波正以光速向外傳播，并在近期光臨了地球，進入最先進的引力波探測儀—LIGO之中。

引力波經過遙遠的觀測者時，觀測者會發現時空被彎曲了。兩個自由物體之間的距離會有節奏地波動，頻率與引力波相同。在這一過程中，這兩個自由物體并沒有受力，座標位置也沒有變化；改變的，是時空座標本身的距離。根據這一特性，科學家把它作為LIGO探測的原理。

兩個LIGO探測器的形狀，都像一個巨大的字母“L”，由兩個2.5英里長的真空管道構成。在“L”的結合處，有激光器和光電儀，“L”的兩臂上則掛滿了鏡子。當引力波的第一個波峰從屋頂或地板進入實驗室時，潮汐力將沿“L”的一臂把兩個物體分開，而沿另外一臂把兩個物體拉近。第一臂的長度L1將增大，第二臂的長度L2將減小；當波谷到來時，結果正好相反。通過測量臂長差L1-L2，就能發現引力波的足跡。

鏡子的意義在于，讓一束激光照在結合處的光束分離器上，讓光束的一半被反射，一半透過鏡面，這樣這束光就被分成了兩束，分別到達L兩臂上的端點，再由端點的鏡子反射回光束分離器。如果沒有引力波，來自兩臂的光都會回到激光器，如果引力波改變了L1-L2，那么就會有少量的光進入光電儀。

對于觀測者和科學家來說，LIGO的測量和計算實際非常簡單，掌握了一些基本物理知識的人就可以搞定。看到這里人們不免要問，把諾貝爾獎頒給“引力波”，意義到底在哪里？

這就要回到人類觀測宇宙的歷史了：在射電天文學和X射線天文學來臨前的30年代，我們的宇宙知識幾乎全部來自光。光讓我們看到的是一個安寧靜寂的宇宙，充滿了耀眼的恒星和在軌道上平穩運行的行星。它們默默地發著光，過數百萬或者數十億年才會發現它們的變化。

上世紀50-70年代的射電波和X射線的觀測，打破了這種平靜的宇宙觀，讓我們看到了一個劇烈活動的宇宙：從星系核噴射出氣流，類星體閃耀著比銀河系還亮的光，脈沖星射出以光速旋轉的強烈輻射束……光學望遠鏡看到的是太陽、行星和少數鄰近的寧靜恒星，射電望遠鏡看到的最亮天體是遙遠星系中心的猛烈爆炸。

這就有點像一位公安偵察人員，如果架起一臺高倍望遠鏡，那么看到的是嫌犯的表情、動作；如果在犯罪嫌疑人家里裝上竊聽器，聽到的就是嫌犯的聲音、對話。與射電波和X射線相比，引力波將給我們的宇宙認識帶來更大的革命。

產生引力波最強烈的場景，往往是時空曲率的大尺度相干振蕩（比如兩個黑洞的碰撞和結合）以及大量物質大規模的相干運動（比如相互圍繞的兩個中子星的螺旋式碰撞和結合），所以引力波向我們展現的都是宏觀上的大曲率、大質量的運動。而且，像宇宙的大爆炸起源、黑洞的碰撞、超新星爆發中心產生新生中子星、并發出大量脈沖的這些場域，周圍都籠罩著厚厚的、能吸收電磁波的物質層，但又由于這一類事件往往具有強引力的特征，使得引力波的探測成為可能。

因此，引力波帶來的，是一個“聽覺”上的宇宙，那里有大爆炸、大振蕩和大沖撞，這是以往的探測手段所發現不了的。引力波必將改變我們對宇宙的看法。理論物理學家、亞利桑那州立大學的勞倫斯·克勞斯，將LIGO的探測與望遠鏡的發明相比較。“這肯定會獲得諾貝爾獎，”他在今年9月就信心十足地預測，“更重要的是，它們為我們看待宇宙打開了一扇新窗。”endprint