楊先碧

愛(ài)因期坦是引力波的提出者。

宇宙中的任何物體，大到天體、小至塵埃，相互之間都存在引力。然而，物體之間的引力是如何傳播的？愛(ài)因斯坦認(rèn)為，引力像水波一樣不斷向外擴(kuò)散，這就是引力波。在愛(ài)因斯坦提出引力波概念將近100年的時(shí)間里，科學(xué)家未能真正探測(cè)到引力波。直到2015年，這個(gè)科學(xué)之謎才被激光干涉引力波天文臺(tái)（簡(jiǎn)稱LIGO）揭曉。對(duì)探測(cè)引力波做出重要貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家雷納·韋斯、巴里·巴里什、基普·索恩，因此獲得2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

引力傳遞需要時(shí)間嗎

我們知道，宇宙中有最基本的四種力：引力、電磁力、弱核力、強(qiáng)核力。一切關(guān)于物質(zhì)的物理現(xiàn)象，在物理學(xué)中都可借助這四種基本相互作用的機(jī)制來(lái)進(jìn)行描述和解釋。

在四種基本力中，引力是最早被發(fā)現(xiàn)的。英國(guó)物理學(xué)家牛頓因被蘋(píng)果砸頭而提出“萬(wàn)有引力”的故事已經(jīng)家喻戶曉了。無(wú)論牛頓是不是因?yàn)檫@個(gè)事件頓悟到萬(wàn)有引力，牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力都是科學(xué)界公認(rèn)的事實(shí)。1687年，牛頓正式公布“萬(wàn)有引力定律”。這個(gè)定律表明：任何物體之間都有相互吸引力，這個(gè)力的大小與各個(gè)物體的質(zhì)量成正比，而與它們之間的距離的平方成反比。

萬(wàn)有引力定律解釋了當(dāng)時(shí)人們比較困惑的一些現(xiàn)象，比如：月球?yàn)楹螄@地球轉(zhuǎn)？地球?yàn)楹螄@太陽(yáng)轉(zhuǎn)？為什么向上拋出的物體還是會(huì)落向地面？萬(wàn)有引力定律只提到兩物體相互直接作用于對(duì)方的引力，并未解釋引力傳遞過(guò)程，而且這條定律與時(shí)間無(wú)關(guān)，意味著引力是瞬時(shí)、直接的超距作用。

蠟燭點(diǎn)燃，屋子里全亮了：太陽(yáng)出來(lái)，天地之間就明亮了。因此，人們?cè)?jīng)認(rèn)為，光的傳播是不需要時(shí)間的。同理，許多近代科學(xué)家也曾認(rèn)為，引力的傳播也是不需要時(shí)間的。令人矛盾和尷尬的是，雖然牛頓的引力定律間接支持了超距作用的觀點(diǎn)，但是牛頓本人并不認(rèn)為引力可以不借助媒介而瞬間產(chǎn)生。

牛頓在給朋友的一封信中曾寫(xiě)道：“很難想象沒(méi)有別種無(wú)形的媒介，無(wú)生命感覺(jué)的物質(zhì)可以無(wú)須相互接觸而對(duì)其他物質(zhì)起作用和產(chǎn)生影響?！迸ｎD曾經(jīng)以太空中存在“稀薄的以太”“以太精氣的連續(xù)凝聚”等觀念來(lái)解釋引力的傳播過(guò)程?？墒钱?dāng)一個(gè)精密實(shí)驗(yàn)證明了太空里并不存在“以太”的時(shí)候，牛頓力學(xué)面臨的困難就更大了。

愛(ài)因斯坦1905年創(chuàng)立的狹義相對(duì)論指出，任何信號(hào)的傳遞不可能超過(guò)光速。既然萬(wàn)有引力也是一種信號(hào)，它的傳遞不可能不花時(shí)間。按照狹義相對(duì)論，萬(wàn)有引力的傳播需要時(shí)間，但它的傳播速度不會(huì)超過(guò)光速。愛(ài)因斯坦曾在一篇文章中寫(xiě)道：“牛頓?。≌?qǐng)?jiān)徫?，你發(fā)現(xiàn)了你那個(gè)時(shí)代所能發(fā)現(xiàn)的唯一的路……但是我們知道，如果想達(dá)到更深刻的理解，這些概念需被遠(yuǎn)非人類(lèi)能體驗(yàn)的其他內(nèi)容所替代?！?p>

引力波形成原理和水波每些類(lèi)似

引力的本質(zhì)是時(shí)空彎曲

引力是如何傳播的

雖然牛頓給出了萬(wàn)有引力的計(jì)算公式，但是他始終沒(méi)有弄明白物體之間的引力是如何傳播的。愛(ài)因斯坦對(duì)此有一套十分深?yuàn)W且科學(xué)的解釋?zhuān)渲杏写罅渴瞧胀ㄈ丝床欢臄?shù)學(xué)公式。不過(guò)，愛(ài)因斯坦給了人們一個(gè)通俗易懂的解釋。

愛(ài)因斯坦認(rèn)為：時(shí)間和空間是一體的，總稱為時(shí)空。他用水波打比方來(lái)解釋引力在時(shí)空中的傳播原理。向平靜的水面扔一個(gè)石子，立即蕩起一圈圈漣漪，它們以石子落水點(diǎn)為中心，不斷向外擴(kuò)散，而且波的力度越來(lái)越小。同樣，宇宙就像是無(wú)邊無(wú)際的時(shí)空海洋，可被劃分為一片片時(shí)空界面，如果向這個(gè)時(shí)空的某個(gè)界面上放置一個(gè)天體，它就會(huì)壓迫這片時(shí)空，造成時(shí)空彎曲，然后產(chǎn)生時(shí)空漣漪，不斷向外擴(kuò)散，給予其他天體以引力。

1915年，愛(ài)因斯坦將引力納入相對(duì)論的框架，創(chuàng)立廣義相對(duì)論。他指出：萬(wàn)有引力的本質(zhì)就是時(shí)空彎曲，時(shí)空彎曲決定天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。物質(zhì)的質(zhì)量使四維時(shí)空彎曲，彎曲的時(shí)空又影響其中物體的運(yùn)動(dòng)，使其運(yùn)動(dòng)軌跡成為曲線而非直線。美國(guó)物理學(xué)家約翰·惠勒曾說(shuō)：“物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲，彎曲的時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)?！迸ｎD的萬(wàn)有引力定律揭示了引力與萬(wàn)物的關(guān)系，而愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論則將引力與四維時(shí)空的彎曲性質(zhì)聯(lián)系在一起。愛(ài)因斯坦還指出，引力波以和光波同樣的速度向外傳播。

為了讓人們進(jìn)一步了解時(shí)空彎曲和引力之間的關(guān)系，科學(xué)家還和藝術(shù)家合作，用網(wǎng)和球的圖片來(lái)展示引力的成因。設(shè)想一下，一張彈性網(wǎng)上突然掉下一個(gè)很重的大鐵球，鐵球不僅使網(wǎng)的形狀大大改變，而且還將引起彈性網(wǎng)的大震蕩，鐵球引起的震蕩將傳播到網(wǎng)格的四面八方。彎曲時(shí)空中的這種漣漪，便是物理學(xué)家企圖探測(cè)的引力波。

當(dāng)然，就如同石子觸及水面才會(huì)產(chǎn)生水波一樣，在時(shí)空網(wǎng)絡(luò)中有變化的天體才會(huì)產(chǎn)生引力波，這種變化包括天體的自轉(zhuǎn)、膨脹、收縮、碰撞與合并。石子完全沒(méi)入水中之后，它對(duì)水面的壓力就消失了，所以水面很快又恢復(fù)了平靜。時(shí)空漣漪畢竟不是水波，它是隨著天體的誕生一直存在著，因?yàn)樯形窗l(fā)現(xiàn)某個(gè)天體是完全靜止的，它的自轉(zhuǎn)以及其他運(yùn)動(dòng)都會(huì)對(duì)時(shí)空帶來(lái)彎曲而引發(fā)漣漪。

黑洞合并產(chǎn)生強(qiáng)烈的引力波

位于美國(guó)的激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）

如何探測(cè)引力波

引力是很明顯的事實(shí)，也非常好測(cè)量。比如，地球?qū)δ橙说囊w重可以用秤來(lái)測(cè)量。假如一個(gè)人體重是50千克，我們就可以根據(jù)重力公式，計(jì)算出地球?qū)@個(gè)人的引力大約是490牛。雖然引力是四種基本力中最先被發(fā)現(xiàn)的，引力比較容易測(cè)量和計(jì)算，但是對(duì)傳播引力的引力波的證實(shí)卻是最晚的。這說(shuō)明引力波的探測(cè)對(duì)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)是很艱難的任務(wù)。

根據(jù)愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，引力波是可以探測(cè)的。然而，由于引力波攜帶的能量很小，強(qiáng)度很弱，物質(zhì)對(duì)引力波的吸收效率又極低，所以一般物體產(chǎn)生的引力波不可能在實(shí)驗(yàn)室被直接探測(cè)到。舉例來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)和地球之間的引力波功率只有200瓦，就相當(dāng)于在一億多千米外放置一盞200瓦的燈泡。要在地球上探測(cè)到燈泡發(fā)射到太空中的能量，那種難度真是超出想象。

早期，由于測(cè)量手段的限制，科學(xué)家只能通過(guò)其他途徑間接證明引力波的存在。1974年，美國(guó)物理學(xué)家拉塞爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒發(fā)現(xiàn)，引力波導(dǎo)致一個(gè)中子星和與之互相環(huán)繞的伴星之間的距離越來(lái)越小，他們因此獲1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

雖然探測(cè)引力波很難，但是也并非完全不可能。那么，究竟如何探測(cè)呢？科學(xué)家巧妙地利用LIGO對(duì)引力波進(jìn)行放大。LIGO由兩個(gè)激光干涉儀組成，分別位于美國(guó)華盛頓州和路易斯安那州，兩個(gè)裝置相距3000千米。每個(gè)干涉儀成L形，都帶有兩個(gè)臂，每個(gè)臂長(zhǎng)4000米，由1.2米粗的真空鋼管組成。

引力波振幅的數(shù)量級(jí)在10-21以下，只有氫原子直徑的一千億分之一大小。目前，最精密探測(cè)器都不可能測(cè)量這么小的長(zhǎng)度。而LIGO之所以能測(cè)量到引力波，是因?yàn)長(zhǎng)IGO能通過(guò)激光干涉把引力波的這個(gè)振幅進(jìn)行放大。按照相關(guān)的科學(xué)理論，激光在LIGO里跑多少米，就能將引力波的振幅放大多少倍。結(jié)果，激光在4000米的真空鋼管內(nèi)來(lái)回跑了400次，就相當(dāng)于產(chǎn)生了一個(gè)160萬(wàn)米的激光臂，也就能將引力波的振幅放大160萬(wàn)倍。

2016年2月11日，激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）的科學(xué)家們?cè)诿绹?guó)華盛頓召開(kāi)了新聞發(fā)布會(huì)，向全世界宣布他們首次直接探測(cè)到了引力波。根據(jù)他們的報(bào)告，2015年9月14日，LIGO測(cè)到干涉儀的臂產(chǎn)生了10-18米的微小長(zhǎng)度差。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這個(gè)強(qiáng)力引力波來(lái)自13億光年外兩個(gè)黑洞的碰撞，一個(gè)黑洞有36倍太陽(yáng)質(zhì)量，另外一個(gè)黑洞有29倍太陽(yáng)質(zhì)量，最終合并為62倍太陽(yáng)質(zhì)量。中間為何差了3倍太陽(yáng)質(zhì)量呢？這3倍太陽(yáng)質(zhì)量正好轉(zhuǎn)化為了引力波的能量。正因?yàn)橛腥绱司薮蟮哪芰枯椛?，才使離此黑洞13億光年之遙的科學(xué)家能探測(cè)到引力波。

我們都知道，科學(xué)測(cè)量難以完全避免誤差。盡管科學(xué)發(fā)展到今天，精密測(cè)量的精度越來(lái)越高，但是我們還是不能完全排除偶然因素引發(fā)的誤差。這就是為何LIGO要在遙遠(yuǎn)的兩地各設(shè)一個(gè)探測(cè)裝置的原因。兩地相距3000多千米，就可以通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)比對(duì)兩者采集到的數(shù)據(jù)，并通過(guò)算法來(lái)排除許多干擾信息。同時(shí)能影響到相隔這么遠(yuǎn)的兩地的波動(dòng)信號(hào)，必然來(lái)自太空，這樣把地面人為的信號(hào)都去除掉，再篩選起來(lái)就容易多了。在2015年9月14目的探測(cè)中，兩個(gè)站點(diǎn)探測(cè)到的結(jié)果一模一樣，這就說(shuō)明不會(huì)有來(lái)自地面的影響因素導(dǎo)致測(cè)量發(fā)生誤差。

為什么科學(xué)家不探測(cè)距離我們較近的天體的引力波，而是要探測(cè)13億光年外黑洞發(fā)出的引力波呢？這是因?yàn)槠胀ㄎ矬w甚至太陽(yáng)系產(chǎn)生的引力波都難以探測(cè)，科學(xué)家便把目光轉(zhuǎn)向浩渺的宇宙。宇宙中存在質(zhì)量巨大又非常密集的天體，如黑矮星、中子星，或許還有夸克星等。超新星爆發(fā)、黑洞碰撞等事件會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的引力波。此外，在大爆炸的初期，暴漲階段也可能輻射強(qiáng)大的引力波。

成功探測(cè)引力波是團(tuán)隊(duì)合作的結(jié)果，很多科學(xué)家為L(zhǎng)IGO的成功做出了貢獻(xiàn)，在相關(guān)論文上署名的就有幾百人，長(zhǎng)長(zhǎng)地排滿了幾頁(yè)。但按照慣例，諾貝爾獎(jiǎng)除了和平獎(jiǎng)多次頒發(fā)給團(tuán)隊(duì)外，其他獎(jiǎng)項(xiàng)只頒發(fā)給個(gè)人，而且每個(gè)單項(xiàng)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)?wù)呙看巫疃嗳耍虼?，韋斯、索恩和巴里什三人最終獲獎(jiǎng)。當(dāng)然，他們?cè)趫F(tuán)隊(duì)中的重要性也是毋庸置疑的：韋斯最早發(fā)明激光干涉引力波探測(cè)器，首次分析了探測(cè)器的主要噪聲來(lái)源，并領(lǐng)導(dǎo)了LIGO儀器科學(xué)的研究，最終使LIGO相關(guān)設(shè)備達(dá)到了足夠的靈敏度;巴里什于1997-2006年擔(dān)任LIGO項(xiàng)目主管，領(lǐng)導(dǎo)了LIGO建設(shè)及初期運(yùn)行，建立了LIGO國(guó)際科學(xué)合作，把LIGO從幾個(gè)研究小組從事的小科學(xué)成功地轉(zhuǎn)化成了涉及眾多成員并且依賴大規(guī)模設(shè)備的大科學(xué)，最終使引力波探測(cè)成為可能;索恩奠定了引力波探測(cè)的理論基礎(chǔ)，他開(kāi)創(chuàng)廠引力波波形計(jì)算以及數(shù)據(jù)分析的研究方向，并對(duì)LIGO項(xiàng)目做出了重要貢獻(xiàn)，是LIGO項(xiàng)目的主要?jiǎng)?chuàng)始人之一。

超新星爆發(fā)產(chǎn)生的引力波。

為何要探測(cè)引力波

LIGO項(xiàng)目從20世紀(jì)80年代由麻省理工學(xué)院和加州理工學(xué)院共同提出，并在1992年得到美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）的資金支持。在前后40年的時(shí)間里，投入了6.2億美元進(jìn)行研究。2014年，我國(guó)科學(xué)家羅俊院士團(tuán)隊(duì)己提出自主的空間引力波探測(cè)計(jì)劃“天琴計(jì)劃”。該方案是在10萬(wàn)千米高度的地球軌道上，部署三顆全同繞地衛(wèi)星組成臂長(zhǎng)17萬(wàn)千米的等邊三角形編隊(duì)，建成空間引力波科學(xué)探測(cè)系統(tǒng)?！疤烨儆?jì)劃”預(yù)計(jì)總投資約為150億元，耗時(shí)20年?；ㄟ@么多錢(qián)用于探測(cè)來(lái)自遙遠(yuǎn)太空天體的引力波信號(hào)，不禁會(huì)讓人產(chǎn)生疑問(wèn)：這值得嗎？

當(dāng)然值得，不然諾貝爾獎(jiǎng)也不會(huì)兩次把物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給引力波的相關(guān)研究者。從理論上來(lái)說(shuō)，引力波探測(cè)驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，為人們探索宇宙奧秘開(kāi)啟了一扇新窗口。以前的天文學(xué)基本上都是使用包括可見(jiàn)光在內(nèi)的電磁波作為探測(cè)手段，而現(xiàn)在觀測(cè)到了引力波，便多了一種探測(cè)方法，也許由此能開(kāi)啟一門(mén)引力波天文學(xué)。這意味著科學(xué)家可以通過(guò)引力波來(lái)進(jìn)一步探測(cè)和理解宇宙中的物理演化過(guò)程，為恒星、星系，乃至宇宙自身現(xiàn)有的演化模型提供新的證據(jù)，提供一個(gè)更牢靠的基礎(chǔ)。

尤其是在對(duì)黑洞的探測(cè)過(guò)程中，以往缺乏比較直接可靠的手段，而引力波探測(cè)技術(shù)的不斷成熟和完善，將有利于科學(xué)家了解黑洞的形成原理和演化機(jī)制。對(duì)黑洞的上述的深入研究，也很可能促成量子理論與引力理論的統(tǒng)一，對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)的研究具有里程碑的意義。

引力波對(duì)黑洞的探測(cè)成果不斷。2018年12月3日，LIGO團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家宣布，他們根據(jù)LIGO的觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了4起黑洞合并事件產(chǎn)生的引力波。其中發(fā)生在2017年7月29日的是迄今探測(cè)到的最大黑洞合并事件，發(fā)生地距地球約90億光年。在所有觀察到的黑洞合并事件中，此次的黑洞旋轉(zhuǎn)速度最快，距離地球也最遠(yuǎn)，最終形成了80倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。另外3起黑洞合并事件發(fā)生于2017年8月9-23日期間，與地球的距離為30億～60億光年，產(chǎn)生黑洞的質(zhì)量為太陽(yáng)的56～66倍。

2017年8月17日，LIGO第一次直接探測(cè)到來(lái)自雙中子星合并的引力波。全球約70個(gè)地面及空間望遠(yuǎn)鏡從紅外、x射線、紫外和射電波等波段開(kāi)展觀測(cè)，確認(rèn)引力波信號(hào)來(lái)自距地球約1.3億光年的長(zhǎng)蛇座內(nèi)NGC 4993星系。這是人類(lèi)歷史上第一次使用引力波天文臺(tái)和電磁波望遠(yuǎn)鏡同時(shí)觀測(cè)到同一個(gè)天體物理事件，標(biāo)志著以多種觀測(cè)方式為特點(diǎn)的“多信使”天文學(xué)進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。

從現(xiàn)實(shí)來(lái)說(shuō)，引力波探測(cè)將為未來(lái)人類(lèi)的星際航行打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，未來(lái)的星際航行可能得依靠引力波來(lái)提供坐標(biāo)并導(dǎo)航，由此找到那些適合人類(lèi)拓艮居住的外星家園，還有那些蘊(yùn)含著無(wú)窮寶藏的海量天體。（責(zé)任編輯 張虹）

獲獎(jiǎng)?wù)吆?jiǎn)介

雷納·韋斯（Rainer Weiss），美國(guó)物理學(xué)家。1932年出生于德國(guó)，1962年從美國(guó)麻省理工學(xué)院獲得博士學(xué)位，1966年首次設(shè)想出一種探測(cè)引力波的方法?，F(xiàn)為麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授。

巴里·巴里什（Barry Barish），美國(guó)物理學(xué)家。1936年1月27日出生于美國(guó)，1957年獲得物理學(xué)學(xué)士，1962年獲得美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的實(shí)驗(yàn)高能物理的博士學(xué)位，1963年加入美國(guó)加州理工學(xué)院，1997-2006年擔(dān)任LIGO項(xiàng)目主管。

基普·索恩（Kip Thorne），美國(guó)物理學(xué)家。1940年6月1日出生于美國(guó)，1962年獲得美國(guó)加州理工學(xué)院的學(xué)士學(xué)位，1965年獲得美國(guó)普林斯頓大學(xué)的博士學(xué)位，自1991年起擔(dān)任加州理工學(xué)院費(fèi)曼理論物理學(xué)教授至今。他開(kāi)創(chuàng)了引力波波形計(jì)算以及數(shù)據(jù)分析的研究方向，并對(duì)LIGO項(xiàng)目做出了重要貢獻(xiàn)。