引力波：探索宇宙奧秘的新窗口

符長波

2017年10月3日，瑞典皇家科學院宣布授予Rainer Weiss，Barry C. Barish和Kip S. Thorne 2017年度諾貝爾物理學獎，以表彰他們在“LIGO探測器和引力波觀測中的決定性貢獻”。Rainer Weiss出生在德國，現為美國麻省理工學院（MIT）物理學教授。Barry C.Barish和Kip S. Thorne現為美國加州理工學院物理學教授。

1 時空自身的“地震”

100多年前，愛因斯坦創立的狹義和廣義相對論，徹底地改變了人類對時空的認識：時間和空間不再是過去認為的那樣是分離的兩個對象，也不再靜止不變，而是其自身也可以運動起來，表現出時空彎曲和引力波等種種現象。

描述運動，需要時空這個框架，即時空是物質運動的舞臺。而引力波可以說是時空舞臺本身的運動。日常大家可能看到過這樣的場面，兩個花樣滑冰運動員在冰面上繞彼此旋轉，隨著彼此靠的越來越近，由于體系角動量守恒的緣故，他們的旋轉速度會越來越大。假若他們不是站在結實的冰面上，而是在橡皮膜上做上述動作，情況會怎么樣呢？橡皮膜會由于二者的體重而塌陷，改變其形狀。二人繞彼此旋轉時，也會同時帶動橡皮膜本身震動，而這種震動會以波的形式傳播到遠方，被遠方橡皮膜上的比如一只小螞蟻感受到。在現實的宇宙中，如果大塊頭的運動員，比如中子星或黑洞，在運動時，時空這個舞臺不再是那么剛性，而是如橡皮膜一樣被扭曲，引起時空的“地震”。如果“地震”足夠大，且離地球足夠的近，我們人類小螞蟻就有望感知到這種震動。

但是，通常情況下，一方面發生這種大的“地震”的概率很小；另一方面，震源離地球非常遠，使得這種“地震”的幅度異乎尋常的小，使得地球上探測引力波非常困難。假若兩個約30倍太陽質量的黑洞互相旋繞，彼此距離350 km。開始時二者以每秒轉75圈，隨后二者會螺旋式地越轉越近，而且越近轉得越快，并最終合并為一體。這個質量龐大，速度是與光速比擬的巨無霸，對時空舞臺的擾動，在事發地看來，無疑是非常巨大的。但如果傳到10億光年外的地球，它的影響就微乎其微了，它所引起的太陽到地球之間距離的變化，僅僅有約一個原子直徑大小。

2 理論到實驗發現的百年歷程

不知對人類來說是幸運還是不幸運，這種“時空地震”引力波是如此的微弱和稀有，以至于人類花了半個多世紀才得以目睹引力波真容。

探測引力波的嘗試，始于20世紀60年代。美國物理學家約瑟夫-韋伯（Joseph Weber）利用類似音叉的原理，來測量金屬鋁圓柱體和引力波特定頻率的共振。他聲稱觀測到了引力波。可是由于他的實驗沒能被其他物理學家重復，且數據分析存在缺陷，因此其結果不為大多數科學家認可。1962年，蘇聯的科學家Gertsenshtein和Pustovoit提出，利用激光干涉儀探測引力波。隨后幾十年里，這個實驗方案一直沿用和發展。1967年，MIT的物理學家Rainer Weiss，造出了第一個1 m長的引力波激光干涉儀原型（https://www.ligo.caltech.edu/system/media_files/binaries/313/original/LIGO History.pdf），并在其后的工作中，確立了各種降低實驗噪聲的技術路線，包括地震、熱噪聲、引力梯度、真空熱梯度、地磁等。Weiss的開創性工作，為他贏得了2017年諾貝爾物理學獎。此外，這一時期加州理工學院（Caltech）的Kip Thorne也開始對引力波進行了深入的理論探索，包括預言各種引力波源的信號以及如何分析其實驗信號。這些研究表明引力波的探測是可行的，給后續引力波實驗增加了信心，Kip Thorne也因此被授予2017年的諾貝爾物理學獎。

進入20世紀80年代，MIT研究組在美國自然科學基金會（NSF）的資助下，開始研究千米級長度的引力波干涉儀的可能性。研究藍皮書（https://dcc.ligo.org/public/0028/T830001/000/NSF_bluebook_1983.pdf）表明千米級探測器實踐上是可行的，能達到所需精度，同時也建議建造相距幾千km的兩個5 km長的干涉儀。加州理工學院隨后也建立了40 m長的原型機。1984年，LIGO（laser interferometer gravitational wave observatory）項目籌建工作正式開始。經過多年反復的申請、被拒、再申請、再被拒的過程，終于在1991年得到了NSF的資助，正式開始了LIGO建設。LIGO一共有兩個探測器，相距3002 km，分別位于美國路易斯安那州和華盛頓州。1994年，Barry C. Barish出任主任，其出色的領導工作為他贏得了2017年的諾貝爾物理學獎。然而第一代的LIGO建成后并未探測到引力波信號，因此于2008年又開始了升級計劃，即Advanced LIGO，并于2015年完成了升級改造，探測靈敏度提高了10倍。與LIGO同時期建造的引力波探測器還有VIRGO，它位于意大利比薩市，1996年開始建造，并于2003完成并運行，2016年完成升級到第二代（Adv-VIRGO），使得靈敏度提高了約一個量級。

在LIGO升級后的第一次科學運行時，也就是2015年9月，幸運之神就降落了，它發現了人類歷史上第一例被直接探測到的引力波事件。緊接著在2015年12月又探測到了第二例信號。又過了約一年，2017年1月4日，測到了第三例信號，并且這次是LIGO的兩個探測器同時探測到了信號。2017年8月4日，引力波再次光臨地球，這次不但被兩臺LIGO記錄到，也同時被位于意大利的VIRGO探測器記錄，這是人類記錄到的第4次引力波事件。LIGO和VIRGO探測器的配合，實現了引力波探測器觀測的網絡化——盡管是小規模的網絡化，對引力波的來源方位定位也更加精準。

2017年8月17日，LIGOVIRGO組合又觀測到了中子星合并的引力波事件。在LIGO-VIRGO給出引力波“警報”后，全球數十臺天文望遠鏡，包括中國的“慧眼”X射線衛星，也開始在不同波段尋找并記錄對應的電磁信號。這是人類觀測到的第5次引力波信號，第一次中子星合并引力波信號，第一次實現引力波和電磁波信號的同時觀測。

也許對于第一二次引力波信號，一些科學家對其真實性仍心存疑慮，畢竟引力波信號實在太小了，但第三四五次信號，徹底證明：引力波，經過百年的期盼，長達半個世紀的努力，確確實實地被捕捉到了！從1916年愛因斯坦正式發表廣義相對論到2015年觀測到引力波，這個歷時百年的探索成功來之不易，包含著無數人的辛勤汗水。僅就LIGO項目來說，就有來自20多個國家的千余一流科學家。從第一個探測原型樣機到現在已經超過50年了。

3 引力波探測的關鍵性技術

引力波探測儀是放大版的邁克爾遜干涉儀，主要由兩個互相垂直的長達數千米的臂、穿梭于兩臂的激光和反光鏡構成。引力波到來時，會引起兩臂長度細微變化。但由于變化實在是太小了，如何提高靈敏度，排除各種噪聲信號是關鍵。

其中外部噪聲包括如微地震、周圍汽車乃至人走路引起的振動等。對于外部噪聲采用多級減震的方式。首先是進行主動減震：實驗儀器平臺并不直接放在地面，而是放在一個可移動的平臺上。當檢測到實驗室地面移動時，實驗平臺會被驅動向相反的方向移動，從而補償了來自地面的移動。除此之外，還要采取懸掛式被動減震。被動減震類似于：手中拿一根線，下端懸掛一重物，當手移動緩慢時，重物會跟著手移動；但如果手來回晃動頻率較高時，重物的移動幅度會大大小于手移動的幅度，從而實現被動減震的目的。干涉儀的鏡子用0.4 mm的石英玻璃線，一級級地懸掛在前一級的架子上。這樣的懸掛一共有4級，通過多級隔離達到減震目的。

實驗儀器內部也有很多地方帶來噪聲，比如：空氣對激光的散射、激光光壓等。因此，激光的路徑上必須抽成超高真空，以減少空氣散射帶來的噪聲。當激光打到反射鏡面上時，會對鏡面產生壓力（即光壓），光壓會引起鏡面的微小震動，這也是重要的噪聲來源。對于這個噪聲來源，也采取了主動消除的辦法。其原理就是常見的阻尼震蕩。給鏡子施加一個阻尼力，即與其速度成正比、方向相反的力。當調整至臨界阻尼時，鏡子的震動會很好地消除，保持平衡狀態。鏡子的震動如果用熱學溫度概念描述的話，僅有等效于1.4 μK。

除此之外，還有很多其他技術，用于提高探測靈敏度、降低噪聲。如光復用技術，即讓光在懸臂之間來回運動多次，這樣增加了等效運動距離，減少了驅動激光的總功率。用純度非常高的石英玻璃做光學器件，以保障高的透光率；器件加工精度非常高，誤差都控制在幾個原子厚度。盡管LIGO等可以探測到小到不可思議的距離變化。但細究其中的技術細節，卻可以甚至用老技術來形容。但是，就是因為把為數眾多的老技術都做到了極致，從而實現了對不可思議的微小位移的探測。

4 人類認識宇宙的新機遇

引力波觀測的實現，無疑是人類認識自然的里程碑事件。人類從史前開始，就對浩瀚的宇宙有與生俱來的好奇與敬畏。但人類至今還邁不出太陽系，只能靠光子、宇宙射線粒子等信使來認識宇宙。長久以來，可見光范圍的光子是宇宙傳遞到地球的唯一信使，直到近代才擴展到X光、伽馬光的范圍。另外宇宙射線粒子，包括電子、質子和其對應反物質，乃至中微子都在近代得到了發展。而引力波，為人類打開一個全新的認識宇宙之窗。也正是因為如此，引力波探測很快地被授予諾貝爾物理學獎。正如諾貝爾獎委員會在其物理學獎頒獎新聞中所說：“各種電磁輻射、宇宙射線和中微子等，已經被用于宇宙探測。但是，引力波是對時空扭曲擾動的直接證明。它是一個全新的、完全不同的東西，為我們打開了未知的世界。如果誰能在后續捕獲并解釋引力波，那么等待他的將是大量的全新發現”。

事實上，國際上除了在運行的LIGO和VIRGO引力波探測器外，還有大量其他在建或計劃中的引力波探測項目，包括：日本的KAGRA，美國和印度的LIGO-印度，歐洲的愛因斯坦望遠鏡，激光干涉太空天線（LISA），以及中國的天琴計劃、太極計劃和阿里計劃等。這些新的引力波探測項目，必將為人類展示更為清晰的宇宙畫卷！■