引力波的發(fā)現(xiàn)

王善欽 吳雪峰

并合前（旋進(jìn)）、并合時(shí)與并合后（鈴宕）的引力波波形。

13億年前，在距離地球非常非常遙遠(yuǎn)的地方發(fā)生了一件大事，也可以算是宇宙中的一個(gè)大災(zāi)難。不過(guò)，它與地球上發(fā)生的任何災(zāi)難都不同：它靜悄悄地發(fā)生，也不發(fā)出耀眼光芒，即使你就在它附近，也不會(huì)看見(jiàn)光亮。

發(fā)生的事情是兩個(gè)黑洞相撞了。它們非常巨大，一個(gè)有36個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量，另一個(gè)有29個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量。它們?cè)谟钪嬷锌焖俚乩@著共同的中心旋轉(zhuǎn)著，并逐漸靠近，就像是被吸進(jìn)了下水道的漩渦。黑洞的巨大引力，還會(huì)使周圍的空間發(fā)生變形和扭曲，隨著它們的旋轉(zhuǎn)，時(shí)空也被猛烈地拖拽，從而釋放出一陣陣引力波。

引力波極難探測(cè)

引力波非常微弱，它的強(qiáng)度與天體速度v和光速c的比值（即v/c）的5次方成正比。而絕大部分天體的速度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光速，因此v/c的值非常小，遠(yuǎn)小于1，v/c的5次方就更是極端小了。此外，引力波的強(qiáng)度還與距離的平方成反比，這就導(dǎo)致大多數(shù)遙遠(yuǎn)星體發(fā)出的引力波，即使開(kāi)始時(shí)的能量比較強(qiáng)，到達(dá)地球附近時(shí)也已變得非常微弱。

這兩個(gè)原因使得引力波極難被直接探測(cè)到。前文提到的根據(jù)雙中子星周期變化來(lái)判斷引力波的存在，是間接證明引力波存在，而不是直接探測(cè)到引力波。

第一位宣稱直接探測(cè)到引力波的人是美國(guó)物理學(xué)家韋伯。他使用一根巨大的固體金屬棒（“韋伯棒”）來(lái)探測(cè)引力波，其原理是引力波傳過(guò)金屬棒時(shí)，會(huì)引起金屬棒共振，導(dǎo)致輸出的信號(hào)被放大，從而可能觀測(cè)到引力波。盡管韋伯宣布自己探測(cè)到引力波，但此后的其他學(xué)者采用韋伯的方案，卻無(wú)一人探測(cè)到引力波，因此人們認(rèn)為韋伯宣稱的結(jié)果其實(shí)是儀器的問(wèn)題，而不是由引力波導(dǎo)致的。直到現(xiàn)在，某些研究人員運(yùn)作的類似儀器也只能探測(cè)到非常強(qiáng)烈且非常近的引力波輻射，而無(wú)法探測(cè)到更遙遠(yuǎn)的天體發(fā)射出的引力波。

著名的楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)表明光是一種波，會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象，在屏幕上形成明暗相間的條紋。

光的干涉與LIGO項(xiàng)目

隨著韋伯棒的失敗，更先進(jìn)的直接觀測(cè)方案開(kāi)始出現(xiàn)。20 世紀(jì)70年代，麻省理工學(xué)院的韋斯開(kāi)始計(jì)劃建造激光干涉儀來(lái)探測(cè)引力波。幾乎與此同時(shí)，加州理工學(xué)院的索恩和德雷弗也開(kāi)始合作進(jìn)行此類干涉儀的研制。

激光干涉儀的原理其實(shí)很簡(jiǎn)單。眾所周知，光是一種波，具有波峰和波谷。我們可以將同一個(gè)光源發(fā)出的光分為兩束，然后讓它們?cè)俣葏R合。如果這兩束光經(jīng)過(guò)路程的差值等于它們波長(zhǎng)的整數(shù)倍，那么波峰和波峰就會(huì)疊加在一起，形成更強(qiáng)的光;如果差值等于它們波長(zhǎng)半整數(shù)的奇數(shù)倍（比如1.5倍、2.5倍），其中一列波的波峰與另一列波的波谷疊加，二者的強(qiáng)度互相抵消，光就變暗了。著名的楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)就體現(xiàn)了這一原理，在屏幕上形成了明暗相間的條紋圖案。

激光干涉引力波探測(cè)器的基本原理與上文所說(shuō)的類似，只是將普通的光替換為激光，因?yàn)榧す饩哂袕?qiáng)烈的準(zhǔn)直性，在傳播過(guò)程中光束大小的變化幾乎可以忽略不計(jì)。探測(cè)器遵循以下的原理：激光發(fā)射器發(fā)射出的激光被分光鏡（半透明的半透鏡）分為互相垂直的兩束，分別在兩個(gè)高度真空的管道中傳播，經(jīng)過(guò)兩塊鏡面的多次反射，進(jìn)入探測(cè)器，兩束光會(huì)發(fā)生疊加（“干涉”）并產(chǎn)生條紋。

如果我們調(diào)整兩塊鏡子之間的距離，就能讓干涉條紋消失。而當(dāng)引力波傳播過(guò)來(lái)時(shí)，空間隨之產(chǎn)生波動(dòng)，導(dǎo)致鏡子和探測(cè)器之間的距離也產(chǎn)生波動(dòng)。兩條互相垂直的管道里的空間伸縮或扭曲程度不同，導(dǎo)致激光在兩個(gè)臂中經(jīng)過(guò)的距離也不同，兩束激光形成的干涉條紋隨之發(fā)生變化，從而被記錄下來(lái)。研究人員通過(guò)分析干涉條紋的變化，可以直接判斷出引力波的強(qiáng)度與變化規(guī)律。

在完成原理的論證之后，韋斯、索恩和德雷弗分別申請(qǐng)基金建造這類干涉儀，其名稱為“激光干涉引力波天文臺(tái)”，英文縮寫為L(zhǎng)IGO。相關(guān)部門要求2個(gè)小組共同建造，因此這3位科學(xué)家也就成為了LIGO項(xiàng)目的奠基人（索恩和韋斯因此獲得了2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，而德雷弗因?yàn)椴恍矣?017年3月病逝而未獲獎(jiǎng)）。1984年，LIGO項(xiàng)目正式啟動(dòng)，并于1994年獲得約4億美元的資金資助。2002年，LIGO項(xiàng)目建成，并逐步開(kāi)始運(yùn)行，但由于當(dāng)時(shí)精度不夠，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)實(shí)驗(yàn)都沒(méi)有獲得成果。2004年，LIGO開(kāi)始升級(jí)，后于2015年完成升級(jí)，正式運(yùn)行。如今的LIGO由兩個(gè)完全相同的裝置構(gòu)成，分別位于美國(guó)華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的利文斯頓，彼此相距約3000千米，而每條LIGO的激光管道的長(zhǎng)度為4千米。

LIGO的輸入激光功率開(kāi)始是20瓦，經(jīng)過(guò)分光鏡后變?yōu)?00瓦，最后進(jìn)入探測(cè)器時(shí)已增強(qiáng)為10萬(wàn)瓦。一般而言，LIGO對(duì)頻率在100到300赫茲范圍內(nèi)的引力波最敏感。但在完成升級(jí)后，靈敏度提高到原來(lái)的3至5倍，對(duì)于60赫茲以下的低頻率引力波的靈敏度也已提高了10倍以上。目前所知，LIGO計(jì)劃探測(cè)的引力波主要來(lái)自以下幾類現(xiàn)象：黑洞和黑洞并合、中子星和中子星并合、黑洞和中子星并合、超新星不對(duì)稱爆發(fā)等。

首次運(yùn)行的LIGO航拍圖。

終于捕捉到引力波

前文提到，致密雙星在圍繞共同的中心運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)輻射引力波并導(dǎo)致軌道收縮。但從系統(tǒng)形成到并合的大約幾億年時(shí)間里，絕大部分引力波由于強(qiáng)度、頻率太低而無(wú)法被直接探測(cè)到。理論計(jì)算表明，雙致密星系統(tǒng)只有在即將并合（旋進(jìn)階段）、并合時(shí)與并合后（鈴宕階段）的極短時(shí)間內(nèi)，發(fā)出的引力波的頻率才能夠被LIGO敏感察覺(jué)。這是因?yàn)橐Σl率是雙星繞轉(zhuǎn)頻率的2倍，要想探測(cè)到100赫茲左右的引力波就要求雙星繞轉(zhuǎn)頻率達(dá)到50赫茲左右，即0.02秒左右完成一次繞轉(zhuǎn)。致密雙星系統(tǒng)只有到即將并合的剎那間，才會(huì)繞轉(zhuǎn)這么快。并合后的快速震蕩（鈴宕），也會(huì)發(fā)出這個(gè)頻率的引力波。因此，只要有足夠高的靈敏度，就能探測(cè)到幾十億光年內(nèi)發(fā)生的雙致密星并合事件。

2015年9月14日9時(shí)50分45秒（協(xié)調(diào)世界時(shí)），位于美國(guó)漢福德與利文斯頓的2個(gè)LIGO探測(cè)器同時(shí)觀測(cè)到一次引力波事件。這次引力波事件從南半球上空穿入地球，到達(dá)探測(cè)器，它的頻率從35赫茲到250赫茲，導(dǎo)致的空間變化程度最大值為10-21，相當(dāng)于1億千米的長(zhǎng)度內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)原子大小（10-10米）的變化，這也就可以讓我們明白直接探測(cè)到引力波為何會(huì)如此的艱難。

我們知道，LIGO的管道只有4千米，那么它是如何探測(cè)到如此微小的空間變形的呢？答案是鏡面的反射，兩塊鏡面間的不斷反射使得激光途經(jīng)的距離遠(yuǎn)超4千米，從而探測(cè)到了極其微小的空間變形。

經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的分析，2016年2月11日，LIGO小組正式宣布人類首次直接探測(cè)到引力波，他們將這個(gè)引力波事件命名為 GW150914（GW是引力波的英文縮寫，150914表示這是2015年9月14日發(fā)現(xiàn)的）。同時(shí)，LIGO科學(xué)合作組確認(rèn)，這是距離我們約13億光年的黑洞和黑洞并合事件。

LIGO科學(xué)合作組的分析表明，這兩個(gè)黑洞的質(zhì)量分別約為36個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量和29個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，并合后形成中心黑洞的質(zhì)量約為62個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，在此過(guò)程中損失了約3個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量。那么這些質(zhì)量去哪里了呢？實(shí)際上，這些損失的質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)榱艘Σǖ哪芰俊８鶕?jù)愛(ài)因斯坦的質(zhì)量-能量公式（能量等于質(zhì)量乘以光速的平方，E=mc2），損失的質(zhì)量會(huì)變?yōu)槟芰俊＿@次引力波的功率最強(qiáng)時(shí)達(dá)到了3.6×1049瓦，比最亮的超新星還亮一千億倍，甚至比最亮的伽瑪射線暴也要亮得多。

上述發(fā)現(xiàn)直接促使引力波走上天文學(xué)的舞臺(tái)，開(kāi)辟了天文學(xué)研究的新紀(jì)元。此外，這一結(jié)果還證明：超過(guò)25個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞確實(shí)存在且會(huì)形成雙黑洞系統(tǒng)。此后，LIGO又發(fā)現(xiàn)3例黑洞與黑洞并合后產(chǎn)生的引力波事件。在2017年8月14日發(fā)現(xiàn)的引力波事件中，歐洲的引力波探測(cè)器“室女座”（Virgo）首次參與觀測(cè)，并與LIGO聯(lián)合，提高了引力波源的定位精度。而就在3天后的8月17日，LIGO發(fā)現(xiàn)了一個(gè)更為轟動(dòng)的引力波（詳見(jiàn)《揭開(kāi)宇宙奧秘的“鑰匙”》一文）。

歷史總是存在著有趣的“巧合”。愛(ài)因斯坦于1916年證明引力波存在，而就在同一年，他還提出了激光的原理;過(guò)了大約50年，人類研制出激光發(fā)射器;2015年（距離愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論100年），人類利用激光技術(shù)，首次探測(cè)到了愛(ài)因斯坦從理論上證明存在的引力波。2016年2月11日，在愛(ài)因斯坦得到引力波的精確性質(zhì)后整整一個(gè)世紀(jì)，LIGO小組正式宣布人類首次直接探測(cè)到了引力波。