發現引力波的過程

李紫薇

摘要：在物理學中，引力波是指時空彎曲中的漣漪，通過波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量。1916年，愛因斯坦基于廣義相對論預言了引力波的存在。自此，許多物理學家和天文學家為證明引力波的存在而不斷努力。引力波的發現是一個劃時代的科學成就。

關鍵詞：引力波、預言、探測

引言：

2016年6月16日凌晨，LIGO合作組宣布：2015年12月26日03：38：53（UTC），位于美國漢福德區和路易斯安那州的利文斯頓的兩臺引力波探測器同時探測到了一個引力波信號；這是繼LIGO2015年9月14日探測到首個引力波信號之后，人類探測到的第二個引力波信號。2017年10月16日，全球多國科學家同步舉行新聞發布會，宣布人類第一次直接探測到來自雙中子星合并的引力波，并同時“看到”這一壯觀宇宙事件發出的電磁信號。

一、引力波的預測

1916 年，愛因斯坦發表了廣義相對論，建立了引力場方程，開辟了近代物理研究的新紀元。在愛因斯坦引力場方程

中，Rμv是里奇張量，gμv是時空度規張量，Tμv是物質的能量—動量張量，它描寫引力場源的能量和質量分布。

將廣義相對論引力場方程與牛頓方程類比，可以得出引力勢與度規的對應，從而得到廣義相對論的三個重要預言：引力紅移，光線在引力場中彎曲和水星近日點的進動。將廣義相對論引力場與麥克斯韋電磁場類比導出對引力波的預言。

引力波所滿足的方程可以從愛因斯坦引力場方程推導出來。在弱場近似（即忽略二階以上的小量）情況下，背景度規為平直的閔可夫斯基度規，時空度規張量Rμv可寫成閔可夫斯基度規ημv 加上一個小的微擾項hμv的形式，即

將它代入引力場方程且在真空情況下，此方程就變為

這就是大家熟悉的真空方程，該方程最簡單的解就是平面波。利用橫向無跡規范（TT規范）提取波函數的有物理效應而且與坐標系無關的分量，可以得出方程的解：

這是個橫向傳播的空間分量，它攜帶能量，也代表了時空的內稟自由度。

二、引力波的探測

100年前愛因斯坦廣義相對論預言引力波。它可形象地看作彎曲時空中的漣漪；天體物理過程越激烈，引力波輻射越強。當引力波傳播時，時空將在垂直于傳播方向擠壓和拉伸。一般要發現這種極其微小的變化是非常困難的。LIGO干涉儀臂長4km；2015年升級改造后非常靈敏，能夠檢測到比原子核尺寸小得多的臂長變化。通過分析LIGO記錄到的數據，美國和歐洲的科學家們推斷：已經成功探測到兩個黑洞合并產生的引力波。這一對黑洞距地球約13億光年；并合前約為太陽質量的36和29倍，并合后形成一個約62倍太陽質量黑洞。

幾十年前人們還在激辯能否真實地探測到引力波。1957年理論物理學家Felix Pirani指出，存在引力波時近鄰顆粒會相對加速，從而提供一種測量引力波的可行途徑。遺憾的是，Pirani于2015年12月31日去世。上世紀70年代初，時任MIT的年輕教授Rainer Weiss在備課時注意到Pirani給出的引力波測量方案，并提出一個更新版本：用邁克爾遜干涉儀測量相位。這最終導致后來的LIGO項目；當然，包括Ronald Drever和Kip Thorne等在內的學者也做出關鍵貢獻。2015年9月14日，LIGO升級后運行的頭兩天，研究人員就發現了顯著的引力波信號，持續約0.2s。

成功探測引力波打開了人類認識宇宙的新窗口，進入“多信使天文學”時代。傳統上人們通過接受電磁波和中微子提供的信息來研究天體物理過程。未來引力波帶來的信息將豐富我們對宇觀現象的認識：雙黑洞合并引力波有助于檢驗黑洞物理和天體物理模型，而測得中子星——黑洞并合時釋放的引力波可揭示核物質密度以上物質的狀態。

三、發現引力波的過程

2016年2月11日，LIGO科學聯盟執行主任David Reitze宣布：我們已經探測到了引力波，我們終于做到了。為什么引力波的發現如此重要？如此激動人心？除了發現引力波本來的科學意義以外，更是因為在探測引力波這條道路上，走的時間太長，付出的努力太多，承受的壓力也太大。

從理論研究上來說，愛因斯坦發明廣義相對論之后第2年就給出了引力波的線性近似解。但是在20世紀30年代他改變了想法，認為引力波在非線性完整理論下不存在，并撰寫文章《引力波存在嗎》投到Physical Review，他和Rosen得到的這個結論被審稿人指出是錯的，但當時他聽不進去，后來他最終發現確實是有問題，把結論又改回來，認為引力波還是存在的。但這并沒有對引力波的真實性完全定論。Eddington在1922年就駁斥愛因斯坦最早的文章，稱引力波不過是坐標波，沒有物理意義。對這個問題的澄清直到1957年。那時，Pi-rani發現引力波可以以潮汐力的方式影響物體運動（遺憾的是Pirani在2015年底辭世。另一個差一點趕上LIGO結果發布的著名引力波相關學者是最早意識到可以用脈沖星計時探測引力波的Detweiler，在發布會前幾日內逝世。另外還有一位值得提到的先驅是中國中山大學的陳嘉言教授，在1982年調試一個早一代的探測器時殉職）。之后Feymann又明確指出了這個潮汐力是可以做功的，所以引力波確實是真實物理的。但這并不意味著坐標波不能同時存在。至今，把坐標波從真正的引力波中剔除出去仍是數值和解析相對論需要處理的問題。

從實驗方面來說，探測引力波的過程更加曲折。愛因斯坦曾認為引力波在現實世界中太小，因而不可能被觀測到。當然他那時還不知道宇宙里真有黑洞和中子星這樣奇妙的東西，所以后來很長時間里沒有人去做實驗找引力波，盡管這種波是相對論的重要預言。但在20 世紀60 年代，Weber想到了超新星暴發可能能產生出足以被觀測到的引力波，還造了2個諧振金屬柱來探測它，在1969 年，Weber宣稱找到了引力波，但沒有人能重復他的結果，他的實驗精度也確實不太夠，所以被普遍認為是個錯誤結論。盡管如此，Weber作為先驅者的貢獻仍是不可磨滅的，在引力波發現的新聞發布會上他的工作被多次提到。錯誤探測這件事本身對引力波探測的影響也是不好的，因此LIGO特別小心，在進行觀測之后沒有立即公布原始數據（按照NSF的要求，原始數據最終將在嚴格分析后公布），從而影響人們對引力波探測的信任。另外能體現LIGO謹慎的事情是在最終分析完成之后，LIGO并沒有急于發布，而是規規矩矩地按程序走完了Physical Review Letters的審稿過程，期間還應審稿人要求修改過一次稿件。在文章已刊登時，LIGO才發布新聞。整個過程的嚴謹的態度，值得每個科研者學習借鑒。

引力波探測這件事的艱巨程度是前所未有的。不只是參與的科學家，連提供資金支持的NSF都是在巨大的壓力下，堅持30多年才成功探測到引力波。

從1916年愛因斯坦提出存在引力波的預言，到2015年9月14日人類首次探測到引力波。百年間，為證明引力波存在的物理學家、天文學家不知凡幾，而LIGO合作組能成功探測到引力波，其中的堅持、嚴謹也是每一個從事研究發現工作的科研人員應遵守的。

參考文獻：

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[4]人類首次發現雙中子星碰撞出的引力波.鳳凰網[引用日期2017-10-16]