發(fā)現(xiàn)引力波的過(guò)程

李紫薇

摘要：在物理學(xué)中，引力波是指時(shí)空彎曲中的漣漪，通過(guò)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(duì)論預(yù)言了引力波的存在。自此，許多物理學(xué)家和天文學(xué)家為證明引力波的存在而不斷努力。引力波的發(fā)現(xiàn)是一個(gè)劃時(shí)代的科學(xué)成就。

關(guān)鍵詞：引力波、預(yù)言、探測(cè)

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(guó)漢福德區(qū)和路易斯安那州的利文斯頓的兩臺(tái)引力波探測(cè)器同時(shí)探測(cè)到了一個(gè)引力波信號(hào)；這是繼LIGO2015年9月14日探測(cè)到首個(gè)引力波信號(hào)之后，人類探測(cè)到的第二個(gè)引力波信號(hào)。2017年10月16日，全球多國(guó)科學(xué)家同步舉行新聞發(fā)布會(huì)，宣布人類第一次直接探測(cè)到來(lái)自雙中子星合并的引力波，并同時(shí)“看到”這一壯觀宇宙事件發(fā)出的電磁信號(hào)。

一、引力波的預(yù)測(cè)

1916 年，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)論，建立了引力場(chǎng)方程，開辟了近代物理研究的新紀(jì)元。在愛因斯坦引力場(chǎng)方程

中，Rμv是里奇張量，gμv是時(shí)空度規(guī)張量，Tμv是物質(zhì)的能量—?jiǎng)恿繌埩浚鑼懸?chǎng)源的能量和質(zhì)量分布。

將廣義相對(duì)論引力場(chǎng)方程與牛頓方程類比，可以得出引力勢(shì)與度規(guī)的對(duì)應(yīng)，從而得到廣義相對(duì)論的三個(gè)重要預(yù)言：引力紅移，光線在引力場(chǎng)中彎曲和水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)。將廣義相對(duì)論引力場(chǎng)與麥克斯韋電磁場(chǎng)類比導(dǎo)出對(duì)引力波的預(yù)言。

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

將它代入引力場(chǎng)方程且在真空情況下，此方程就變?yōu)?/p>

這就是大家熟悉的真空方程，該方程最簡(jiǎn)單的解就是平面波。利用橫向無(wú)跡規(guī)范（TT規(guī)范）提取波函數(shù)的有物理效應(yīng)而且與坐標(biāo)系無(wú)關(guān)的分量，可以得出方程的解：

這是個(gè)橫向傳播的空間分量，它攜帶能量，也代表了時(shí)空的內(nèi)稟自由度。

二、引力波的探測(cè)

100年前愛因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言引力波。它可形象地看作彎曲時(shí)空中的漣漪；天體物理過(guò)程越激烈，引力波輻射越強(qiáng)。當(dāng)引力波傳播時(shí)，時(shí)空將在垂直于傳播方向擠壓和拉伸。一般要發(fā)現(xiàn)這種極其微小的變化是非常困難的。LIGO干涉儀臂長(zhǎng)4km；2015年升級(jí)改造后非常靈敏，能夠檢測(cè)到比原子核尺寸小得多的臂長(zhǎng)變化。通過(guò)分析LIGO記錄到的數(shù)據(jù)，美國(guó)和歐洲的科學(xué)家們推斷：已經(jīng)成功探測(cè)到兩個(gè)黑洞合并產(chǎn)生的引力波。這一對(duì)黑洞距地球約13億光年；并合前約為太陽(yáng)質(zhì)量的36和29倍，并合后形成一個(gè)約62倍太陽(yáng)質(zhì)量黑洞。

幾十年前人們還在激辯能否真實(shí)地探測(cè)到引力波。1957年理論物理學(xué)家Felix Pirani指出，存在引力波時(shí)近鄰顆粒會(huì)相對(duì)加速，從而提供一種測(cè)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(jì)70年代初，時(shí)任MIT的年輕教授Rainer Weiss在備課時(shí)注意到Pirani給出的引力波測(cè)量方案，并提出一個(gè)更新版本：用邁克爾遜干涉儀測(cè)量相位。這最終導(dǎo)致后來(lái)的LIGO項(xiàng)目；當(dāng)然，包括Ronald Drever和Kip Thorne等在內(nèi)的學(xué)者也做出關(guān)鍵貢獻(xiàn)。2015年9月14日，LIGO升級(jí)后運(yùn)行的頭兩天，研究人員就發(fā)現(xiàn)了顯著的引力波信號(hào)，持續(xù)約0.2s。

成功探測(cè)引力波打開了人類認(rèn)識(shí)宇宙的新窗口，進(jìn)入“多信使天文學(xué)”時(shí)代。傳統(tǒng)上人們通過(guò)接受電磁波和中微子提供的信息來(lái)研究天體物理過(guò)程。未來(lái)引力波帶來(lái)的信息將豐富我們對(duì)宇觀現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)：雙黑洞合并引力波有助于檢驗(yàn)黑洞物理和天體物理模型，而測(cè)得中子星——黑洞并合時(shí)釋放的引力波可揭示核物質(zhì)密度以上物質(zhì)的狀態(tài)。

三、發(fā)現(xiàn)引力波的過(guò)程

2016年2月11日，LIGO科學(xué)聯(lián)盟執(zhí)行主任David Reitze宣布：我們已經(jīng)探測(cè)到了引力波，我們終于做到了。為什么引力波的發(fā)現(xiàn)如此重要？如此激動(dòng)人心？除了發(fā)現(xiàn)引力波本來(lái)的科學(xué)意義以外，更是因?yàn)樵谔綔y(cè)引力波這條道路上，走的時(shí)間太長(zhǎng)，付出的努力太多，承受的壓力也太大。

從理論研究上來(lái)說(shuō)，愛因斯坦發(fā)明廣義相對(duì)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(jì)30年代他改變了想法，認(rèn)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(gè)結(jié)論被審稿人指出是錯(cuò)的，但當(dāng)時(shí)他聽不進(jìn)去，后來(lái)他最終發(fā)現(xiàn)確實(shí)是有問(wèn)題，把結(jié)論又改回來(lái)，認(rèn)為引力波還是存在的。但這并沒(méi)有對(duì)引力波的真實(shí)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(guò)是坐標(biāo)波，沒(méi)有物理意義。對(duì)這個(gè)問(wèn)題的澄清直到1957年。那時(shí)，Pi-rani發(fā)現(xiàn)引力波可以以潮汐力的方式影響物體運(yùn)動(dòng)（遺憾的是Pirani在2015年底辭世。另一個(gè)差一點(diǎn)趕上LIGO結(jié)果發(fā)布的著名引力波相關(guān)學(xué)者是最早意識(shí)到可以用脈沖星計(jì)時(shí)探測(cè)引力波的Detweiler，在發(fā)布會(huì)前幾日內(nèi)逝世。另外還有一位值得提到的先驅(qū)是中國(guó)中山大學(xué)的陳嘉言教授，在1982年調(diào)試一個(gè)早一代的探測(cè)器時(shí)殉職）。之后Feymann又明確指出了這個(gè)潮汐力是可以做功的，所以引力波確實(shí)是真實(shí)物理的。但這并不意味著坐標(biāo)波不能同時(shí)存在。至今，把坐標(biāo)波從真正的引力波中剔除出去仍是數(shù)值和解析相對(duì)論需要處理的問(wèn)題。

從實(shí)驗(yàn)方面來(lái)說(shuō)，探測(cè)引力波的過(guò)程更加曲折。愛因斯坦曾認(rèn)為引力波在現(xiàn)實(shí)世界中太小，因而不可能被觀測(cè)到。當(dāng)然他那時(shí)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(lái)很長(zhǎng)時(shí)間里沒(méi)有人去做實(shí)驗(yàn)找引力波，盡管這種波是相對(duì)論的重要預(yù)言。但在20 世紀(jì)60 年代，Weber想到了超新星暴發(fā)可能能產(chǎn)生出足以被觀測(cè)到的引力波，還造了2個(gè)諧振金屬柱來(lái)探測(cè)它，在1969 年，Weber宣稱找到了引力波，但沒(méi)有人能重復(fù)他的結(jié)果，他的實(shí)驗(yàn)精度也確實(shí)不太夠，所以被普遍認(rèn)為是個(gè)錯(cuò)誤結(jié)論。盡管如此，Weber作為先驅(qū)者的貢獻(xiàn)仍是不可磨滅的，在引力波發(fā)現(xiàn)的新聞發(fā)布會(huì)上他的工作被多次提到。錯(cuò)誤探測(cè)這件事本身對(duì)引力波探測(cè)的影響也是不好的，因此LIGO特別小心，在進(jìn)行觀測(cè)之后沒(méi)有立即公布原始數(shù)據(jù)（按照NSF的要求，原始數(shù)據(jù)最終將在嚴(yán)格分析后公布），從而影響人們對(duì)引力波探測(cè)的信任。另外能體現(xiàn)LIGO謹(jǐn)慎的事情是在最終分析完成之后，LIGO并沒(méi)有急于發(fā)布，而是規(guī)規(guī)矩矩地按程序走完了Physical Review Letters的審稿過(guò)程，期間還應(yīng)審稿人要求修改過(guò)一次稿件。在文章已刊登時(shí)，LIGO才發(fā)布新聞。整個(gè)過(guò)程的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，值得每個(gè)科研者學(xué)習(xí)借鑒。

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

從1916年愛因斯坦提出存在引力波的預(yù)言，到2015年9月14日人類首次探測(cè)到引力波。百年間，為證明引力波存在的物理學(xué)家、天文學(xué)家不知凡幾，而LIGO合作組能成功探測(cè)到引力波，其中的堅(jiān)持、嚴(yán)謹(jǐn)也是每一個(gè)從事研究發(fā)現(xiàn)工作的科研人員應(yīng)遵守的。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱宗宏，王運(yùn)永.引力波的預(yù)言、探測(cè)和發(fā)現(xiàn)[J].物理，2016，45（05）：300-310.

[2]徐仁新，Emanuele Berti.首次測(cè)到引力波[J].物理，2016，45（03）：195.

[3]張帆，楊桓.引力波：一波多折[J].科技導(dǎo)報(bào)，2016，34（03）：61-62.

[4]人類首次發(fā)現(xiàn)雙中子星碰撞出的引力波.鳳凰網(wǎng)[引用日期2017-10-16]