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北辰 谁都不会想到，2016年的第一次刷屏会来得这么迅速、这么突然。而且，刷屏的还是那么一个艰深晦涩的专业词汇————引力波。 正月初五是中国传统迎财神的日子。但2016年的这一天，不仅中国，全世界的物理学界都沸腾了，仿佛迎来了它们的“财神”——被预言已经百年的引力波，终于被探测到了。一位物理学家甚至这样形容自己的心情：“在新闻发布会上，我的心中就暖流涌动，那是一种强烈的感动，感动到想哭的感觉。” 相信大家都已经被各种社交媒体上的“引力波”洗脑了，可能你已经了解了什么是引力波，但为什么探测到它需要百年努力？它又能给世界带来什么？   黑洞的合并和LIGO探测到的引力 相对论的一百年1916年，伟大的爱因斯坦正式发表相关论，这是关于时空和引力的理论。相对论颠覆了人类对宇宙和自然的常识性观念，提出了时间和空间的相对性。它涉及到四维时空和弯曲空间等全新的概念，把我们的认知提升到了一个新的高度。 在此后的100年时间里，相对论获得了巨大的发展，它所预言的科学原理一个个被验证：光线弯曲被证明了，时间变慢也被证明了，而且还应用在GPS定位系统……但是，相对论还缺乏最重要的一项验证，那就是引力波是否存在。 2016年，相对论发表一百周年之际，物理学家最大的期盼就是找到引力波，让相对论变得十全十美，以此作为向爱因斯坦献上的一份厚礼。 今天，即便是最不相信这位老头言论的人恐怕也不得不承认，引力波的出现让爱因斯坦赢得了彻底的胜利。尽管他的相对论与牛顿的的经典力学存在着一些抵触，尽管引力波属于相对论的范畴，但引力波依然在相对论与经典力学将架起了一座桥梁，让两者相互包容，也让相对论变得十全十美。  黑洞合并产生的引力波向外界扩散 有人说，爱因斯坦不是地球人，他那个伟大的头脑属于拥有高智慧的外星人。现在看来，这番评价也许并不夸张，爱因斯坦让我们对时间、空间，以及对宇宙，有了全新的认识。引力波的发现，给地球带来了巨大的震动，这不仅涉及到科学本身，同样也波及了人类心中固有的观念。 寻找引力波的巨擘早在20世纪60年代，美国人就打造了第一架实际投入应用的引力波探测器——一个铝质实心圆柱。随后，更为高级且复杂的铝质圆柱形探测器也出现了。不过，它们并没有提供什么实质性的探测结果。20世纪70年代之后，美国的激光干涉引力波探测器开始登场，几乎与此同时，法国和意大利也建造了一个类似的探测设备。 如果说铝质实心圆柱是第一代引力波探测器的话，那么激光干涉引力波探测器就属于第二代。此次找到引力波的就是激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO），这是分别位于美国路易斯安那州的列文斯顿和华盛顿州的汉福德的两个引力波探测器。 1991年，麻省理工学院与加州理工学院在美国国家科学基金会（NSF）的资助下，开始联合建设激光干涉引力波天文台（LIGO）。1999年11月，LIGO建成，耗资3.65亿美元。2005-2007年，科学家对它又进行了升级改造，采用了更高功率的激光器，以及更为强大的减振器。但在此期间，LIGO并未能找到引力波存在的可靠证据。直到2015年，最新的激光干涉引力波天文台正式上线，来自十多个国家，超过1000名科研人员参与了该设备的运作。针对LIGO所做的不断升级改造，终于让人类如愿以偿。 激光干涉引力波天文台主要部分是两个互相垂直的长臂，每个臂长4000米，并架有大量的反射镜。激光在反射镜中来回发射，就会形成干涉条纹，当有引力波穿过时，一个方向的空间便会被拉伸，而与之成一定角度的另一个方向的空间则会被压缩。出现这样的情况会导致反射镜发生细微角度的旋转，致使反射镜间的距离发生变化，也就是说，正是这些改变证明了引力波的存在。不过，这样的变化其实是非常细微的。当引力波来临时，即便是地球这样的庞然大物，它直径的变化也只会是一个原子那么大小而已，因此，探测器必须极其灵敏。 也许有人会猜想，究竟这次发现引力波是哪一处探测器的功劳。事实上，两个探测器都探测到了引力波，而且数据一致，因此结果非常可靠。 当然，科学家并没有因为发现了引力波就轻易满足，为了避免地面干扰，他们还准备将引力波探测引入空间时代。一个由美国宇航局和欧洲空间局联合承担的，名为激光干涉太空 天 线（Laser Interferometer Space Antennaa，LISA）的项目，已于2015年12月3日正是发射升空，这是人类第一座太空中的引力波天文台。 伴随着探测技术的发展，探测设备开始升入宇宙空间，寻找引力波的科学竞赛规模越来越大，参与者越来越多。  激光干涉空间天线（LISA）是一个由NASA和ESA合作的引力波探测计划。它将是人类第一座太空中的引力波天文台。 峰回路转的经历尽管人类搜寻引力波的步伐从未停止，但在这条道路上，我们建造了太多的设备，走过了太多的弯路。 早在1916年，爱因斯坦在提出广义相对论时就预言了引力波的存在，同时他也认为引力波非常微弱，人类可能永远无法探测到它。探测引力波的难度确实非同一般，在2016年之前，广义相对论中预言的其他科学效应被科学家一个个检验出来，而引力波，至多只是发现了有关的蛛丝马迹。 1973年，科学家发现了一对双脉冲星——PSR1913+16，它们彼此靠得很近，相互绕转。科学家认为，它俩会越靠越近，最终融合在一起。实际观测证明，这对双星的引力波辐射导致了系统动能损失，进一步表现为双星轨道周期的逐渐减小，而减小的程度符合了科学家的理论计算，这间接证明了引力波的存在。  LISA将被放置在距离地球150万千米的日-地拉格朗日L1点 而在地球南极，人类还有一个望远镜从微波角度研究宇宙，这种研究叫做宇宙泛星系偏振背景成像（BICEP）。虽然这个研究并没有观测到激烈天体运动产生的引力波，但是它却找到了宇宙大爆炸之时产生的引力波——原初引力波！原初引力波历经137亿年，至今仍在宇宙中回荡。它们会在宇宙微波背景上留下印迹，让宇宙微波背景辐射产生偏振，并形成螺旋状的特殊形态，这种偏振名为B模式偏振。  美国路易斯安那州利文斯顿市的激光干涉引力波天文台。 当时，科学家曾为此兴奋不已，并很快宣布发现了原初引力波。但最终证明，数据的微小波动可能只是源于设备出现的一次故障。 正因为设备可能出现故障，此后人们对是否存在引力波的求证更为谨慎。其实从2015年9月开始，坊间就有大量有关LIGO探测到引力波的传言，但鉴于引力波的特殊身份和重大意义，以及南极望远镜之前闹出的乌龙事件，激光干涉引力波天文台项目组一直没有对此给出过明确答复。直到今年2月12日（北京时间），经过了近半年时间的严格论述和验证，美国国家科学基金会才正式宣布，他们发现了由两个黑洞于13亿年前相互撞击引发的引力波。 地球聋人听到了引力波在苍茫浩瀚的宇宙中，地球这颗星球是非常奇妙且独特的，它孕育了人类这样的高级动物。人类借助五官，可以了解周围的事物，但这范围显然还很小，我们对于宇宙的感知能力明显不足。于是，人类又发明了各种各样的探测器，以此认识更为宽广的环境。  LIGO设施工作原理图 在最近的十几年中，我们的天文探测技术越来越高，不仅光学望远镜获得了很多其他技术的支持，变得越来越强大，在电磁波的其他方面，我们也都取得了较大的发展——红外线望远镜、紫外线望远镜、X射线望远镜、伽马射线望远镜相继出现。它们的出现虽然宣告着天文学已经进入到了全波天文学时代，但按照物理学理论，这并不是探测宇宙的全部窗口，还有另外两扇天窗亟待打开，它们是不属于电磁波范畴的中微子和引力波。 当相对于我们来说的宇宙深处发生激烈的变化时，不仅会产生中微子，也会产生引力波。如果仅凭电磁波探测宇宙，显然无法全面了解它的精彩。 1987年，探测器探测到超新星1987A的爆发，人类终于借此打开了中微子探测这扇天窗。按照道理，当时的引力波探测器也该接收到超新星爆发的讯息，但是探测器却毫无反应，引力波这扇天窗迟迟不能打开。 如今，我们终于发现了引力波，终于拥有了另一种观测宇宙的工具。在发现引力波之前，我们在宇宙中只能算是聋哑人，一直在推测宇宙“声音”的存在，而今则真正听到了声音。引力波是一种方式，一种看待宇宙的全新方式。  极端宇宙事件是引力波产生的源头。 宇宙的涟漪如果我们把宇宙空间想象成一块布匹，那么任何一颗星球都会在这块布匹上压出凹坑。当然，凹坑的大小是和其质量成正比的，质量越大，引力越大，压出的凹坑也就越大。因此我们不难想象，如果某个或某些天体发生了剧烈的运动，比如爆发或者撞击，那么这块布匹也会随之发生颤动，这种颤动就是引力波（当然，这种颤动是在球面上发生的，而非平面）。尽管引力波会像水波那样荡漾，在宇宙中泛起涟漪，但作为宇宙中的沧海一粟，可怜的人类完全感觉不到这种变化——第一，我们在跟着布匹做相对颤动；第二，这种颤动实在太过微小，我们完全无感。 按照广义相对论，只有发生极端宇宙事件才会产生引力波，这种极端宇宙事件在我们的银河系内平均每1万年才会发生1次。不过在广袤的宇宙中，天体发生激烈运动的机会还是很多的，超新星的引力坍缩、大爆炸留下的背景辐射、脉冲星的自转，以及其他星系内的超大质量黑洞的合并等都会发出引力波。而这次，人类探测到的引力波就来源于13亿年前两个黑洞的大碰撞。 13亿年前的大碰撞13亿年前，在遥远的宇宙中，有一对黑洞相互绕转。它们围绕着公共的引力中心环绕着对方运动，就像是跳探戈一样。不过，它们的旋转速度却越来越快，轨道越来越小，最终发生碰撞，合并成了一个大黑洞。这次震撼宇宙的大爆炸，产生了强大的引力波，它们向四周飞速扩散，亟不可待地向全宇宙宣布这个合并消息。 原本这两个黑洞的质量分别是26和39个太阳质量，合并之后则是62个太阳质量。其中，有3个太阳质量的物质在那一瞬间灰飞烟灭，它们化身为其他能量和引力波。其他能量逃不出黑洞的引力，被黑洞重新吸收，只有引力波逃出了黑洞的束缚。这一波新的宇宙涟漪以光速穿过无数的星系和星球，终于在13亿年后，来到了地球。 13亿年前，地球上还只有低等的藻类，可现在已经有了人类，而人类也仅仅只是在100年前预感到宇宙中可能存在引力波。尽管如此，人类还是煞费苦心，建造了激光干涉引力波天文台这样的精密设备来迎接它们。就在这看似荒诞的故事中，两个相距3000千米的设备，在7毫秒内，都接收到了引力波，而这个引力波源就被称为GW150914——2015年9月14日（更具体的时间是17点50 分45秒），就是在这个历史性的时刻，地球人类首次探测到引力波，地球聋人首次听到了宇宙中的大动静。 引力波GW150914的先头部队在经过探测器时，让它的频率在0.2秒内从35赫兹迅速增加到150赫兹，并在记录纸上留下了曲线。这个数据告诉我们，在短短的0.2秒内，黑洞的绕转速度从每秒35圈迅速提高到每秒150圈，这个速度也就是两个黑洞发生撞击前的最终速度。 尽管地球周围已然恢复了平静，但GW150914的先头部队还在一往无前地奔跑着。也许在宇宙中，存在着仍然相对低等的生物，它们可能完全不知道宇宙中发生的这次大事件。也许，也有比人类更加智慧的生物，它们在两个黑洞开始绕转之初，就探测到了微弱的引力波，并推测出了最终撞击的时刻。也许和它们相比，人类的听力仍然差得可怜，但至少现在，我们已经能够听到来自宇宙的声音。 历史的轨迹告诉我们，每当有一扇新的窗口被人类打开时，都会伴随着至关重要的发现。虽然LIGO的探测能力还非常有限，但它已经为我们撬开了引力波世界的一小道缝隙。播种者在春天撒下种子的时候，经验会告诉他，丰收就在不久后的秋天。 |
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