伊曼紐爾·博蒂+晨飛

幾十年來，科學(xué)家一直希望能夠通過檢測引力波來“收聽”猛烈的天體物理學(xué)事件。引力波的存在是愛因斯坦于1916年預(yù)言的，可以被描述為時(shí)空幾何體中的振蕩扭曲，但在之前它們從來沒有被直接檢測到過?，F(xiàn)在，在一篇優(yōu)秀的論文中，科學(xué)家向我們講述了他們在激光干涉儀引力波天文臺(tái)（LIGO）檢測到引力波的經(jīng)過。他們的發(fā)現(xiàn)為宇宙中雙黑洞系統(tǒng)可以存在與合并的觀點(diǎn)提供了第一條觀測證據(jù)。

移動(dòng)的質(zhì)量可以產(chǎn)生引力波，引力波與電磁波相似，也以光速傳播。在傳播的過程中，引力波會(huì)在與傳播方向垂直的平面上將時(shí)空壓縮或拉伸。然而，因?yàn)樗鼈冊斐傻倪@種扭曲非常小，想要檢測到是極度困難的：即使是天體物理學(xué)事件產(chǎn)生的最強(qiáng)引力波，也只能導(dǎo)致10-21數(shù)量級上的長度變化。

升級版LIGO包括兩個(gè)檢測器，每個(gè)檢測器都是一個(gè)邁克爾遜干涉儀，由兩條長達(dá)4千米的光學(xué)共振腔組成。干涉儀的設(shè)計(jì)保證了在沒有引力波信號(hào)的時(shí)候，從兩條臂中穿過的激光到達(dá)光電探測器時(shí)的相位正好相差180°，因此不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)。引力波沿著與檢測器平面垂直的方向傳播，會(huì)破壞這種完美的相消干涉。在它的第一個(gè)半周期，引力波會(huì)延長一個(gè)臂而縮短另一個(gè)臂;在第二個(gè)半周期，這種變化就會(huì)反過來。這種長度變化會(huì)導(dǎo)致激光束之間的相位差異，使光能信號(hào)到達(dá)光電探測器。用兩臺(tái)這樣的干涉儀，LIGO就可以排除只在一臺(tái)檢測器上出現(xiàn)的雜散信號(hào)（例如當(dāng)?shù)氐牡卣鸩ǎ?/p>

LIGO的靈敏度十分卓越：它可以檢測到兩個(gè)臂長之間小于一個(gè)原子核直徑的長度變化。LIGO的最大挑戰(zhàn)是檢測器的噪音，主要有地震波、熱運(yùn)動(dòng)和光子散粒噪聲。這些干擾可以輕易遮蔽掉引力波產(chǎn)生的微弱信號(hào)。2015年完成的升級把檢測器在100赫茲至300赫茲的靈敏度提高了3倍至5倍，在60赫茲以下的靈敏度則提高了10倍以上。這些改善加強(qiáng)了檢測器對更遠(yuǎn)處的信號(hào)源的靈敏度，這對探測到引力波至關(guān)重要。

2015年9月14日， 在升級版LIGO開始運(yùn)轉(zhuǎn)的頭2天之內(nèi)，研究人員檢測到了一個(gè)強(qiáng)到可以直接用肉眼看到的信號(hào)。這個(gè)被編號(hào)為GW150914的信號(hào)的最強(qiáng)階段持續(xù)了0.2秒，并且，兩地的檢測器都捕捉到了這個(gè)信號(hào)，聯(lián)合信噪比是24。湊巧的是，這一天離愛因斯坦發(fā)表廣義相對論100周年紀(jì)念日還剩下不到兩個(gè)月。

就在幾十年前，人們一直認(rèn)為檢測到引力波是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)。20世紀(jì)50年代，物理學(xué)家仍在就引力波到底是不是物理實(shí)體、能不能攜帶能量展開激烈的爭論。這場爭論的轉(zhuǎn)折點(diǎn)是1957年在北卡羅來納州教堂山舉行的會(huì)議。在那次會(huì)議上，理論物理學(xué)家菲利克斯·皮拉尼指出，牛頓第二定律和測地線方程之間存在著聯(lián)系，后者在廣義相對論框架下描述了潮汐力的作用。皮拉尼說，因?yàn)榇嬖谶@個(gè)聯(lián)系，引力波中相鄰粒子的相對加速可以為觀測引力波提供一個(gè)物理學(xué)上有意義并且可行的方式。遺憾的是，這位為我們現(xiàn)在思考和檢測引力波方式奠定基礎(chǔ)的科學(xué)家于LIGO的科學(xué)家宣布探測到引力波之前數(shù)周（即2015年12月31日）去世。

其他參會(huì)的杰出科學(xué)家包括約瑟夫·韋伯、理查德·費(fèi)曼、赫爾曼·邦迪，都對皮拉尼的想法的發(fā)展發(fā)揮了作用，尤其是費(fèi)曼和邦迪，他們將皮拉尼的觀測發(fā)展成著名的“黏性珠子”思維實(shí)驗(yàn)。他們認(rèn)為，如果珠子在引力波作用下沿著一根有黏性的棒子加速，那么它們一定會(huì)通過摩擦向棒子傳遞熱量。這種熱量傳遞就證明引力波一定是攜帶能量的，因此，從原則上來講，引力波是可以檢測到的。

著手這類實(shí)驗(yàn)的興趣并沒有立即產(chǎn)生。1964年，皮拉尼在一次關(guān)于引力輻射的學(xué)術(shù)報(bào)告上指出，韋伯認(rèn)為有意義的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)“在幾個(gè)數(shù)量級上都不可能”。與此同時(shí)，威廉·福勒（未來的諾貝爾獎(jiǎng)得主）提出了所謂大型雙類星體（也就是我們稱為黑洞雙體的）放射出的很大一部分能量都是引力波輻射的觀點(diǎn)。然而，皮拉尼認(rèn)為，對證明一個(gè)相應(yīng)的理論來說，進(jìn)行引力波直接觀測既不是必要條件也不是充分條件。他認(rèn)為，如果物理學(xué)家搞不明白該怎樣量化引力，這種理論就“跟物理學(xué)沒多大關(guān)系”。

真正在這個(gè)領(lǐng)域里起到刺激作用的，是韋伯在1969年發(fā)表的一篇論文。在這篇論文中，韋伯稱自己用一個(gè)共振棒狀檢測器檢測到了引力波。這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了爭議，因?yàn)槲锢韺W(xué)家無法復(fù)制他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。到20世紀(jì)70年代中期，大多數(shù)人都認(rèn)為韋伯很可能是錯(cuò)的。然而，幾年之后，麻省理工學(xué)院的年輕教授雷納·韋斯在準(zhǔn)備相對論的課程材料時(shí)，看到了皮拉尼有關(guān)檢測引力波的提議—使用光信號(hào)捕捉相鄰粒子在波信號(hào)通過時(shí)產(chǎn)生的位置變化。他將這一方法做了一處關(guān)鍵性改動(dòng)，于是LIGO應(yīng)運(yùn)而生：與其對短光脈沖進(jìn)行計(jì)時(shí)，不如在邁克爾遜干涉儀中對相位進(jìn)行測量。

現(xiàn)在，曾經(jīng)一度被認(rèn)為“在幾個(gè)數(shù)量級上都不可能”的事成為現(xiàn)實(shí)。為了證實(shí)信號(hào)的本質(zhì)是引力波，研究者使用了兩套不同的數(shù)據(jù)分析方法。第一種方法是確定光電探測器捕捉到的額外能量是不是信號(hào)造成的，而不去考慮信號(hào)自身的來源。從這一分析中，他們確證這一轉(zhuǎn)瞬即逝的未建模信號(hào)的觀測統(tǒng)計(jì)顯著性大于4.6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。第二種方法將設(shè)備輸出（信號(hào)加噪音）與利用廣義相對論計(jì)算出的黑洞合并信號(hào)做比較。通過匹配過濾的方法，研究者證實(shí)觀測信號(hào)的統(tǒng)計(jì)顯著性大于5.1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。

最激動(dòng)人心的結(jié)論來自對觀測信號(hào)的振幅和相位與數(shù)字模擬中相對論預(yù)測的比較，后者能夠幫助研究者估計(jì)描述引力波源的參數(shù)。這次檢測到的引力波的波形與一類雙黑洞系統(tǒng)相吻合，此系統(tǒng)中兩個(gè)黑洞的質(zhì)量分別為太陽質(zhì)量的36倍和29倍。這一類恒星質(zhì)量黑洞是我們已觀測到的同類型天體中最大的一種。另外，除了黑洞之外，沒有哪一種雙天體系統(tǒng)具有足夠大的質(zhì)量以產(chǎn)生觀測到的信號(hào)。（最可信的競爭者是雙中子星，或者一個(gè)中子星與一個(gè)黑洞。）研究人員估算，這一雙天體系統(tǒng)距離地球13億光年，其能量的大約4.6%以引力波的形式放射;合并后的黑洞的質(zhì)量相當(dāng)于62個(gè)太陽質(zhì)量，無因次旋轉(zhuǎn)為0.67。

利用這個(gè)信號(hào)，研究人員進(jìn)行了兩項(xiàng)廣義相對論的相容性測試，給引力子—介導(dǎo)引力的假設(shè)粒子—加上了一個(gè)質(zhì)量邊界。在第一項(xiàng)測試中，他們使用廣義相對論，從信號(hào)的早期內(nèi)旋片段和內(nèi)旋后片段分別推算出殘留黑洞的質(zhì)量和自旋，得到了相似的值。第二項(xiàng)測試用來分析兩個(gè)黑洞在向內(nèi)螺旋運(yùn)動(dòng)相互靠近時(shí)產(chǎn)生的波相位。這個(gè)相位可以寫成v/c的級數(shù)展開，其中v代表旋轉(zhuǎn)中的黑洞的速度，他們證實(shí)這項(xiàng)展開的系數(shù)與廣義相對論的預(yù)測相符合。通過假定具有質(zhì)量的引力子可以更改波相位，他們給定了引力子質(zhì)量的上限：1.2×10-22eV/c2，精確了我們通過太陽系和雙脈沖星觀測得到的測量結(jié)果。

LIGO的兩臺(tái)干涉儀在2015年9月14日檢測到了相似的信號(hào)。上面兩張圖是在漢福德（上左）和利文斯頓（上右）檢測到的信號(hào)，下面兩張圖顯示的是數(shù)字模擬中兩個(gè)黑洞合并產(chǎn)生的信號(hào)。

在物理學(xué)中，我們?yōu)長IGO的發(fā)現(xiàn)感到歡欣鼓舞，但更好的發(fā)現(xiàn)還有待未來。就像基普·索恩最近在BBC采訪中說的那樣，首次記錄到引力波從來不是LIGO的主要目標(biāo)，他們的動(dòng)力一直來自對打開通往宇宙的新窗口的向往。

引力波檢測會(huì)讓我們對天體物理來源擁有新的、更準(zhǔn)確的測量，比如兩個(gè)正在融合的黑洞的旋轉(zhuǎn)方式，以及它們的形成機(jī)制。雖然升級版的LIGO無法精確測量這些旋轉(zhuǎn)的量級，但更好的信號(hào)模型、更好的數(shù)據(jù)分析技術(shù)、更靈敏的檢測器，能夠讓這種測量得以實(shí)現(xiàn)。一旦升級版的LIGO能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)靈敏度，就可以檢測比GW150914的信噪比高3倍的雙天體系統(tǒng)。這些信噪比更高的信號(hào)能夠用來更精確地確定信號(hào)源的參數(shù)，比如質(zhì)量和自旋。

即將完成的地球檢測網(wǎng)絡(luò)，包括升級版的VIRGO、日本的KAGRA、可能會(huì)落地印度的第三臺(tái)LIGO，可以幫助科學(xué)家確定天空中信號(hào)的來源，告訴我們該把“傳統(tǒng)”的收集電磁輻射或中微子的望遠(yuǎn)鏡指向哪里。將這些觀測工具結(jié)合起來，會(huì)形成研究領(lǐng)域的新基礎(chǔ)，即“多信使天文學(xué)”。很快，“探路者”號(hào)實(shí)驗(yàn)飛船上搭載的歐空局的引力波探測器“激光干涉儀空間天線”（eLISA）會(huì)傳回第一批數(shù)據(jù)。與地面上的探測器相比，eLISA能夠使我們凝視宇宙更深處，使對更大質(zhì)量黑洞形成的機(jī)制和宇宙距離的引力場行為的研究成為可能。

現(xiàn)在，我們正在走進(jìn)引力波天文學(xué)的新時(shí)代：有了這種新的觀測工具，就像擁有了視覺之后，我們又擁有了聽覺。升級版的LIGO檢測到的第一個(gè)信號(hào)來自兩個(gè)黑洞的合并，這具有重大意義。這些天體是我們用電磁輻射無法觀測到的。在不久的將來，引力波天文學(xué)對天體物理學(xué)產(chǎn)生的影響會(huì)令人眼花繚亂。多項(xiàng)檢測結(jié)果可以讓我們研究宇宙中多久會(huì)發(fā)生一次黑洞合并，并對描述雙天體系統(tǒng)形成的天體物理學(xué)模型進(jìn)行測試。對強(qiáng)信號(hào)的檢測同樣可以使物理學(xué)家測試所謂的無屬性定理，即黑洞的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)僅僅由其質(zhì)量和自旋決定。觀測來自黑洞的引力波或許還能向我們揭示引力的本質(zhì)。

在黑洞周圍引力場特別強(qiáng)的地方，引力作用真的像愛因斯坦預(yù)測的那樣嗎？如果我們修改愛因斯坦的引力論，可以解釋暗物質(zhì)和宇宙的加速膨脹嗎？現(xiàn)在，我們才剛剛開始回答這些問題。