第1章 科学
时空的涟漪——引力波
文/赵洋
2016年2月12日，各路媒体都在传播同一个消息：2015年9月14日，位于美国的两只引力波探测器同时探测到一个短暂的引力波信号，这个信号源自距地球约13亿光年的双黑洞系统的合并。两个黑洞的质量分别是36个太阳质量和29个太阳质量，其中，引力波辐射损失的质量大约为3个太阳质量。这个发现不但表明宇宙中存在太阳质量级别的双黑洞系统，更是人类第一次成功探测到引力波，也是首次探测到两个黑洞的合并。
◤引力波是什么？
寻找引力波是寻找广义相对论效应的工作的一部分，那些效应往往难于测量。根据广义相对论，时间和空间会因质量发生弯曲，时空弯曲的直观效果就是我们感受的万有引力。
如果把整个宇宙想象成一张蹦床，把天体想象成放在蹦床上的一个个重物，只要拎着蹦床一角抖动，就相当于在蹦床的蒙皮边缘制造了形变，这个形变波动会沿着蹦床蒙皮传播开来，那些天体重物之间的时空距离就会随之改变。根据广义相对论，足够重的物体就可以产生足够大的时空畸变，当这些物体获得加速度后就会激发引力波，也就是时空自身形变的传播。这样在引力波穿过的时候，天体所在时空本身会发生反复的收缩和扩张，从而使得它们的距离发生波动变化。如果我们能够测量出这个距离的相对变化，就能探测到引力波的踪迹。
来自宇宙中各种源头的引力波经常掠过地球，但引力是比其他基本自然力更微弱的力，以至于我们几乎从来感觉不到它们。爱因斯坦曾认为引力波也许永远都不会被探测到，他甚至两次宣布引力波不存在，然后又一次次地修正自己的预测。当时，一个怀疑者曾评论说：引力波好像是靠着“思维的速度在传递”。
科学家认为，探测微弱的引力波，如同在一场喧闹的聚会上辨识一首歌。宇宙以光的形式向人类传递了太多信息，如今引力波在时空中向我们传递着类似声音的新信息。参与引力波发现的魏因施泰教授说：“这正如在时间和空间中演奏的乐曲，由黑洞用力拨动的吉他琴弦。这只是交响乐的开始，而非结束。”
虽然科学家喜欢把引力波比喻成一种“声音”，但引力波并不是声音。声音在空气、水、固体等介质中传播，但引力波理论上是以光速传播，并可以在真空中传播。引力波是一种全新的振动方式，如同用非常大的能量，在宇宙中敲响了一面蒙皮紧绷的鼓。引力波是时空自身的波动，不像星光那样的电磁波总要被星际尘埃吸收和散射掉很多。引力波能够几乎无耗散地穿过宇宙，因此，只要人学会了怎么去“听”，一定能够听到无数星星以及其他神秘天体的呢喃私语。也许有朝一日，天文学家可以像影片《超时空接触》中的科学家那样，戴上耳机聆听转化为声音信号的引力波信号。
在强光的无声冲击下，地核释放出了积蓄已久的能量，顷刻间引力波一次又一次地冲击整个太阳系，其他行星并没有受到很大影响，它们依旧沿着古老的轨道运行着，就像在水面漂浮的木塞，随着石头投入水中产生的涟漪在轻轻荡漾。
——[英]阿瑟·克拉克《童年的终结》（1953）
◤引力波简史
虽然爱因斯坦在1916年曾预言加速的质量可能产生引力波，但他提出的引力波与坐标的选取有关——在某一个参考系看来，引力波可能有能量，而换一个参考系可能就没有能量。因此在引力波概念提出之初，包括爱因斯坦本人在内的大多数物理学家对引力波的存在都持怀疑态度。1959年，邦迪、皮拉尼和罗宾森进一步证明，静止物体在引力波脉冲作用下会产生运动，于是间接地证明引力波携带能量，并可被探测到。这为探测引力波提供了理论依据。
第一个尝试探测引力波的人，是美国马里兰大学工程学教授约瑟夫·韦伯，他把自己的设备命名为“谐振条天线”。韦伯认为，铝制的圆柱体会像“铃铛”一样放大微弱的引力波。他发明的探测器由多层铝筒构成，直径1米，长2米，质量约1000千克。当引力波“撞到”圆柱体时，圆柱体会轻微地振动，圆柱周围的传感器会把这种振动转化为电信号。为了确保测量到的不是受周围经过的汽车或者轻微地震影响的振动，韦伯发明了一些保护措施：他将谐振条悬挂在真空中，并同时运行着两根相距1000千米的谐振条。如果分处两地的谐振条在微小时间间隔中产生同样的振动，就可能是引力波造成的。
1969年，韦伯宣布谐振条记录了引力波事件。物理学家和媒体为之轰动，《纽约时报》当时报道：“人类对宇宙观测的又一页新篇章被翻开了。”很快，韦伯每天都报道有信号记录。不过，其他实验室使用类似设备都没有观察到同样的结果。到1974年，很多人都认为韦伯的结果有误。后来，世界各国又陆续建造了一些柱状探测器，但效果均不理想。
20世纪70年代，美国加州理工学院的物理学家莱纳·魏斯等人开始考虑使用激光干涉方法探测引力波，其原理类似于迈克尔逊干涉仪。但引力波的探测对仪器的灵敏度要求非常高，要能够在1000米的距离上感知10-18米的变化，这几乎等同于测量质子直径千分之一的形变。直到20世纪90年代，如此高灵敏度探测所需的技术条件才逐渐趋于成熟。
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的资助下，开始联合建设LIGO（“激光干涉引力波天文台”的英文缩写）。1999年建成时，共耗资3.65亿美元。2005年至2007年，LIGO进行升级改造，包括采用更高功率的激光器、进一步减少振动等，升级后的LIGO被称为“增强LIGO”。2009年7月到2010年10月，“增强LIGO”开始运行，但未能探测到引力波存在的可靠证据。2015年，最新升级版的LIGO正式投入使用。不久后，它就作出了历史性的发现。
罗辑一家远远就看到了引力波天线，……天线是一个横放的圆柱体，有一千五百米长，直径五十多米，整体悬浮在距地面两米左右的位置。它的表面也是光洁的镜面，一半映着天空，一半映着华北平原。
——刘慈欣《三体Ⅱ：黑暗森林》（2008）
◤引力波是怎样发现的？
大约十年前，物理学家基普·索恩在《星际穿越》剧本初稿中，设想让未来人类通过LIGO和引力波发现虫洞。但《星际穿越》的导演认为，即使不提引力波，电影中也已有足够多的严肃科学理念，因此在他们精简影片中的科学元素时，就把上述的情节删去了。
作为该片的科学顾问——基普·索恩之所以对引力波情有独钟，源于他正是倡导建设LIGO的三人小组成员之一。爱因斯坦的广义相对论指出质量导致时空弯曲，引力波是探测时空弯曲的理想工具。研究时空弯曲的理想地点之一，是在两个大质量黑洞发生碰撞的地方。当两个黑洞合并时，时空会发生剧烈的旋转，并辐射出强大的引力波。基普·索恩率领的团队曾用超级计算机计算了广义相对论方程的数值解，然后模拟了双黑洞碰撞的过程。现在，LIGO的观测验证了他们数值模拟的理论预言。
之所以要从双星公转、中子星自转、超新星爆发、黑洞的形成、碰撞和捕获物质等大质量天体的激烈运动过程中寻找引力波的蛛丝马迹，是因为引力波携带的能量实在太微弱。地球围绕太阳运转时，会发出引力波，“日-地”系统的引力波辐射损耗功率仅为200瓦。2015年探测到的引力波信号，振幅仅有10—21，也就是说，在LIGO中相距4千米的镜子，其距离只变化了10—18米，是原子核尺度的一千分之一。如此微弱的距离变化，使用传统的技术手段是根本无法测量出来的。
这次为发现引力波立下大功的LIGO，由位于美国路易斯安那州列文斯顿和华盛顿州汉福德的两只引力波探测器构成。这两只探测器相隔3000千米。工程师采取了一系列技术手段来提高LIGO的精度，包括：高真空（激光臂安置于真空腔内，气压仅为万亿分之一大气压）；高能稳定的激光；全世界最好的镜面（每入射300万个光子，只有1个会被吸收）；最稳定的振动隔离系统（反射镜用钢丝吊起以隔离震动）等。为确保4千米长激光真空管道的直线性，管道末端从地面被垫高近1米，以抵消地球表面曲率。为了排除外界干扰因素，只有当两只探测器同时检测到相同的信号才有可能是引力波。所以，LIGO堪称“世界上最精密的测量仪器”。
当黑洞合并造成的一列线性偏振的引力波向探测器袭来时，时空会不断压缩—拉伸—压缩—拉伸，如此循环往复。时空的伸缩导致LIGO的一条激光测量臂变长的同时，另一条臂长变短。当两臂长度不同时，两束激光的相位不再同步，就产生了可以测量的干涉条纹。
2019年的一天，LIGO探测到了有史以来一次最强烈的引力波爆发……只持续了几秒钟……推断出了这次引力波爆发的源头——由中子星和黑洞组成的双星系统……能找到的唯一解释就是：引力波来自一个靠近土星的虫洞，而引力波源在虫洞的另一端。
——基普·索恩《星际穿越》剧本初稿
◤小贴士：科幻成真不易
无论是《三体》中的引力波天线，还是电影《星际穿越》中宇航员库珀通过引力波穿越时空给女儿传递信息，引力波一直是科幻作品中出镜不多但却十分重要的角色。那么，引力波的发现能让科幻作品的设想成真吗？能否借助引力波实现星际通信、星际航行，甚至时空穿越呢？
参与了引力波探测工作的陈雁北教授认为，引力波非常微弱，因此单凭人类的力量，很难发射可以被接收和探测到的引力波。也就是说，用引力波进行星际通信在技术层面十分困难。从理论上讲，有可能向一个正在合并的双黑洞系统发射一个叠加的引力波，可望产生一种引力波放大效果，但实际上也不太可能实现。此外，由于引力波本身造成的时空弯曲是很小的，所以借助引力波穿越时空、回到过去并不现实。加州理工学院魏因施泰教授也认为，从发现引力波到应用引力波还很遥远。现在谈“借助引力波时空旅行”之类的设想还为时过早，利用引力波的宇宙通信也只是一种微弱的可能。
遥控开关启动了引力波武器。真没想到，引力波武器还有这种说不出的能力。
——吴岩《引力的深渊》（1981）
◤从默片到有声片
听说达德琉斯就是在那个时候发明了引力测位仪。因为在太阳里，在电子层的混沌之中，无线电完全失效，而引力是不会变的，测位仪捕捉到引力波，就可以用它来进行通信。
——[苏]亨利克·阿尔托夫《阿克勒斯与达德琉斯》
虽然目前看不到实际用途，但引力波在科学上的作用难以估量。引力波可能作出的贡献，不仅是为天文学家增添一个观测窗口（如射电波段）那么简单，它为我们增加了整个波谱，如同一系列的观测窗口。没有发现引力波之前，天文观测仿佛观看无声电影。如今引力波把默片变成了有声电影，能使我们感觉到更为丰富的宇宙活动，我们也能通过引力波“听”到黑洞碰撞的巨响、中子星塌缩的猛冲声。天文学将出现空前的变化。
在下一个十年，我们将看到LIGO探测技术的进一步改进，以及全球引力波探测器网络的扩展。这种增强的全球网络将显著提高我们确定引力波源位置的能力，并能更准确地估计引力波源的物理性质。当前，95%的宇宙是无法用传统的天文学手段观测到的。虽然引力波还无法探测到占据了大部分不可见宇宙的暗能量，但它可以帮助我们用前所未有的方式去巡查时空。随着引力波观测数据的积累，我们对一些与黑洞相关领域的认识也会得到极大的改观，比如恒星演化，甚至星系演化和宇宙演化等。
人类首次直接探测到引力波信号的2015年，恰逢爱因斯坦发表广义相对论一百周年；公布这一探测结果的2016年，又是爱因斯坦根据广义相对论推导出引力波存在一百周年。爱因斯坦的理论预测，引力波将以光速传播，但目前的数据还不足以完全确认引力波的速度是否为光速。未来还需检验引力波是否真的是以光速传播。引力波的意义，不仅是验证广义相对论，更对天文探测起着无比重要的作用。“聆听”引力波，将有助于我们探测宇宙中情况最为极端的角落——黑洞的视界、超新星的最深处、中子星的内部结构——那些常规天文望远镜完全无法接近的区域。可以想见，我们对宇宙的认识，将因引力波的发现而再次刷新。
【责任编辑：杨枫】