[科普中國(guó)]-引力波為何能得諾獎(jiǎng)？從愛因斯坦到LIGO的接力

樂器發(fā)出的聲音滿載著信息。聆聽音樂時(shí)，我們可以推論出演奏音樂的樂器的種類（如管樂器或者弦樂器）和質(zhì)地（銅制的或是木制的），我們甚至可以評(píng)價(jià)樂手技藝的精湛程度。所有這些信息的載體是聲波，這是一種以固定速率向外傳播的空氣擾動(dòng)。物理學(xué)家也借用這個(gè)概念來研究宇宙。只不過，在宇宙中傳導(dǎo)波的介質(zhì)并不是空氣，而是時(shí)空；而這種波不再是聲波，而是引力波。實(shí)際上，廣義相對(duì)論提出的一個(gè)基本假設(shè)是，把空間的三個(gè)維度和時(shí)間維度統(tǒng)一在一起的時(shí)空（spacetime）是具有彈性的。就算其中空無一物，時(shí)空也可發(fā)生振動(dòng)，而這種振動(dòng)就是引力波。這種波與樂器發(fā)出的聲波一樣，也滿載著信息。這些信息一方面反映了制造出引力波的事件，而另一方面也體現(xiàn)了引力波傳播時(shí)通過的時(shí)空的性質(zhì)。物理學(xué)家希望，在未來的幾年里，美國(guó)的激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）以及意大利VIRGO探測(cè)器能獲得來自宇宙的、證明引力波存在的直接證據(jù)。（2016年2月11日，LIGO科學(xué)合作組織宣布他們已經(jīng)探測(cè)到了引力波。2017年9月28日，LIGO和Virgo合作組宣布首次聯(lián)合探測(cè)到來自雙黑洞合并的引力波。愛因斯坦在1916年提出了引力波的概念。起初，引力波曾遭到了物理學(xué)家的質(zhì)疑。從理論的角度看，引力波的存在仰仗的是時(shí)空與其他物理實(shí)體之間的微妙差異。此外，通過實(shí)驗(yàn)探測(cè)引力波是極為困難的?，F(xiàn)在，再?zèng)]人懷疑引力波的存在了。引力波是廣義相對(duì)論的預(yù)言產(chǎn)物，而廣義相對(duì)論在20世紀(jì)已經(jīng)被無數(shù)的觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。此外，一些天文觀測(cè)為引力波的存在提供了間接證據(jù)。物理學(xué)家甚至算出了引力波的一些特征值，比如傳播速度。引力波在真空中的傳播速度等于光速，與廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)一致。引力的速度引力以有限的速度傳播，這個(gè)性質(zhì)并不是顯而易見的。這個(gè)觀點(diǎn)最初由皮埃爾-拉普拉斯（Pierre-Simon deLaplace）于1773年提出，與當(dāng)時(shí)的主流理論——牛頓的萬有引力理論是相悖的。在牛頓的理論框架內(nèi)，不管相隔多遠(yuǎn)，兩個(gè)有質(zhì)量的物體間的引力作用是立即發(fā)生的。而牛頓的理論相當(dāng)成功，例如，它可以準(zhǔn)確地解釋行星運(yùn)動(dòng)的開普勒定律。拉普拉斯希望借用自己的新理論來解釋一個(gè)奇特的天文現(xiàn)象——朔望月（月相變化的一個(gè)完整周期）的縮短。我們現(xiàn)在知道，這個(gè)現(xiàn)象是由于地球自轉(zhuǎn)受潮汐力的影響變慢而造成的。而在當(dāng)時(shí)，為了解釋這個(gè)現(xiàn)象，拉普拉斯構(gòu)造了一個(gè)與牛頓體系不同的理論模型。在拉普拉斯的理論中，引力反映的是物體發(fā)射出的粒子的作用，這些粒子的速度是有限的。拉普拉斯將他的理論預(yù)測(cè)與觀測(cè)進(jìn)行對(duì)照，他發(fā)現(xiàn)所謂的“粒子”的速度應(yīng)該至少是光速的700萬倍（光速大約是每秒30萬千米）。這個(gè)速度如此之大，實(shí)際上跟牛頓的理論沒有太大的差別。100年后，蘇格蘭人詹姆斯（James Clerk Maxwell）提出了電磁學(xué)理論，而美國(guó)物理學(xué)家阿爾伯特（AlbertMichelson）和愛德華（EdwardMorley）則通過實(shí)驗(yàn)證明光速守恒。這些發(fā)現(xiàn)間接地促使研究者重新考慮引力的速度問題。為了解釋光速守恒，昂利（HenriPoincaré）發(fā)明了所謂的“新力學(xué)”，它的方程與愛因斯坦的狹義相對(duì)論相似，但其物理學(xué)意義則不同。然而，不管是在龐加萊還是愛因斯坦的理論框架下，沒有任何作用力的傳播速度能超過光速，而這是與牛頓引力理論抵觸的。龐加萊于1905年提出了一個(gè)新理論，他認(rèn)為引力作用的傳播速度也等于光速，相當(dāng)于一種“引力波”。但是，他的理論卻有不可挽回的缺陷。其中最致命的一點(diǎn)在于，無法根據(jù)這個(gè)基本假設(shè)得出一個(gè)一般性的引力定律。另外，這個(gè)理論還違反了作用力-反作用力定律。而且這種“引力波”需要從波源汲取能量，但它本身卻不能像聲波或電磁波那樣攜帶能量。愛因斯坦建立了普遍適用且與觀測(cè)數(shù)據(jù)相符的引力理論。他在1915年發(fā)表了廣義相對(duì)論方程，該方程將相對(duì)性原理擴(kuò)展到對(duì)所有觀測(cè)者有效（相對(duì)性原理指的是對(duì)于任何觀測(cè)者，物理定律都是相同的，在狹義相對(duì)論中這一原理僅對(duì)慣性系中的觀測(cè)者有效）。廣義相對(duì)論為引力現(xiàn)象提供了一種與相對(duì)性原理相符的描述。這一偉大成就的核心思想完全顛覆了人們對(duì)時(shí)間和空間的認(rèn)識(shí)。最開始顛覆這些“常識(shí)”的是狹義相對(duì)論，特別明顯地體現(xiàn)了這一點(diǎn)的是德國(guó)物理學(xué)家赫爾曼（HermannMinkowski）在1907年根據(jù)狹義相對(duì)論得出的幾何表達(dá)式。閔可夫斯基證明，就算兩個(gè)觀測(cè)者測(cè)量?jī)蓚€(gè)事件的時(shí)間間隔和距離時(shí)得到的結(jié)果不同，但對(duì)分割兩個(gè)事件的某種“時(shí)空距離”，他們得出的結(jié)果總是一致。這意味著，獨(dú)立于觀測(cè)者的物理現(xiàn)實(shí)不是單獨(dú)的時(shí)間或空間，而是時(shí)空，一個(gè)能將時(shí)間和空間統(tǒng)一起來的四維幾何結(jié)構(gòu)。愛因斯坦的廣義相對(duì)論則更進(jìn)了一步，指出時(shí)空不是絕對(duì)的，即時(shí)空的幾何并不像狹義相對(duì)論那樣是既定的。愛因斯坦提出，時(shí)空的幾何是由其中所含的能量決定的，而引力恰恰就是時(shí)空的彎曲幾何的體現(xiàn)——而不是一種“力”。我們通常用一個(gè)圖示來說明這個(gè)道理：空間是一片因?yàn)橹醒氪筚|(zhì)量天體而畸變的曲面，大質(zhì)量天體旁邊有一個(gè)較小的天體。在這幅圖示中，較小的天體并不受力，它受慣性支配筆直向前運(yùn)動(dòng)。但由于空間是彎曲的，小天體的運(yùn)行軌跡也是彎曲的，結(jié)果就是繞著大質(zhì)量天體旋轉(zhuǎn)。這種圖示在某種意義上是錯(cuò)誤的，但卻道明了一個(gè)事實(shí)：在現(xiàn)代物理中，時(shí)空不再只是一個(gè)供物理事件上演的被動(dòng)場(chǎng)地，它成為了一種與其他物體聯(lián)系在一起的柔軟連續(xù)體。時(shí)空的波動(dòng)為了簡(jiǎn)化討論，我們先把時(shí)間放在一邊。我們可以把空間視為某種可以扭曲、振動(dòng)的彈性介質(zhì)，因此它可以傳播波。自1916年起，愛因斯坦就開始嘗試證明他的廣義相對(duì)論方程包含一個(gè)解，這個(gè)解能夠表征引力波的傳播。然而，廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)之美與其方程的復(fù)雜性不分伯仲。這些方程的一個(gè)特點(diǎn)就是它們是非線性的。所謂的非線性，指的是一個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的反應(yīng)與它所受的刺激并不成正比。正如面對(duì)這種問題時(shí)研究者常做的那樣，愛因斯坦決定先考慮簡(jiǎn)化后的情況。他把引力波視為對(duì)初始的“平坦”時(shí)空的微調(diào)——即攝動(dòng)。如預(yù)料的一樣，他計(jì)算出了幾種不同類型的引力場(chǎng)振動(dòng)，而它們均以光速傳播。但是他很快就開始懷疑，這些解在物理上是否真實(shí)存在。一個(gè)疑點(diǎn)與引力波的雙重性質(zhì)有關(guān)：引力波既是幾何學(xué)的，是空（時(shí)）間的波動(dòng)；也是物理學(xué)的，是引力場(chǎng)的特征。因此，作為一種自然界中存在的波，引力波的振幅應(yīng)該能夠和一些物理量聯(lián)系在一起，比如速度、輻射功率等等。在愛因斯坦解出的6種引力波里（用現(xiàn)代物理術(shù)語來講就是6種偏振模式），只有兩種既能傳遞能量又以光速傳播。這些波也是橫波，如同電磁波一樣，也就是說它們只在與傳播方向垂直的平面上振動(dòng)。與此相反，聲波是縱波，會(huì)在傳播的方向上壓縮空氣。而愛因斯坦得到的其他4個(gè)偏振解并不傳輸能量，傳播速度也是隨機(jī)的。實(shí)際上這是個(gè)在當(dāng)時(shí)未能被理解的數(shù)學(xué)問題，問題出在了坐標(biāo)系的選擇上。事實(shí)上，相對(duì)性原理規(guī)定，物理量的值并不隨坐標(biāo)系的選取而發(fā)生變化。愛因斯坦選擇的坐標(biāo)系并不完美，用它算出的偏振模式在廣義相對(duì)論的框架下不是真實(shí)存在的。但是，現(xiàn)在研究其他引力理論的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這些偏振解中的某幾個(gè)具有物理意義。如果能觀測(cè)到這些偏振模式的話，將有劃時(shí)代的意義，這能讓我們測(cè)試超越廣義相對(duì)論的物理理論。令人琢磨不透的坐標(biāo)系性質(zhì)，加上方程的非線性，不僅讓涉及廣義相對(duì)論的物理問題計(jì)算起來極為困難，還讓結(jié)果難以理解。這就是物理學(xué)家在20世紀(jì)60年代以前都未能理解黑洞視界的原因。1936年左右，愛因斯坦也一度相信自己和納森（NathanRosen，愛因斯坦在普林斯頓高等研究院的助手）證明了引力波并不存在。而這個(gè)結(jié)論與愛因斯坦先前的工作是完全矛盾的。引力波輸送的能量以及它與物質(zhì)系統(tǒng)的相互作用，這些問題看似容易，但實(shí)際上非常復(fù)雜，以至于物理學(xué)家一直在研究這些問題，經(jīng)過了幾十年才能得出初步結(jié)論。探測(cè)引力波但是在尋找引力波方面，英國(guó)物理學(xué)家菲利克斯（FelixPirani）于1955年獲得了關(guān)鍵性的突破。他證明，可以通過測(cè)量至少兩個(gè)測(cè)試質(zhì)量（質(zhì)量非常小的物體，它們自身的引力可以忽略不計(jì)）之間的距離變化來探測(cè)引力波。事實(shí)上，盡管用孤立的物體無法探測(cè)到引力波，但還是可以通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)測(cè)試質(zhì)量之間空間的壓縮和膨脹來發(fā)現(xiàn)它的蹤跡。美國(guó)馬里蘭大學(xué)的約瑟夫（JosephWeber）受此啟發(fā)，開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)直接探測(cè)引力波。雖然他用自己在20世紀(jì)60年代設(shè)計(jì)的“韋伯棒”（Weberbar）什么也沒有探測(cè)到，但是他的這一發(fā)明啟迪了許多物理學(xué)家。用棒狀探測(cè)器來探測(cè)引力波的概念后來被廣為接受并加以改良。引力輻射原則上是可以探測(cè)到的。那么如何進(jìn)行定量測(cè)量呢？想要設(shè)計(jì)探測(cè)器的話，首先得確定引力波源輻射功率的量級(jí)、引力波經(jīng)過時(shí)導(dǎo)致的空間長(zhǎng)度變化的量級(jí)以及信號(hào)頻率的量級(jí)。根據(jù)愛因斯坦最初的研究，科學(xué)家可以估算出人體在擺手時(shí)發(fā)出的引力波功率量級(jí)是10–50瓦特，這和大多數(shù)恒星系統(tǒng)發(fā)出的引力波功率差不多。這些值已得到了更精確的計(jì)算方法的證實(shí)，引力波似乎成了一種無法觀測(cè)的思想玩物。隨著天文學(xué)家在1962年發(fā)現(xiàn)了類星體，并在1967年發(fā)現(xiàn)了脈沖星，探測(cè)引力波的希望被再次點(diǎn)燃。這些天體屬于中子星（由非常致密的原子核物質(zhì)構(gòu)成的天體）或者黑洞（光也無法逃逸的時(shí)空陷阱）。它們非常致密（相比于它們的質(zhì)量而言，它們的體積非常小），在描述其引力性質(zhì)時(shí)必須考慮廣義相對(duì)論。物理學(xué)家已經(jīng)證明，如果一個(gè)致密天體高速（接近光速）運(yùn)動(dòng)，并且這種運(yùn)動(dòng)是連貫的且不太對(duì)稱的話，這個(gè)天體就能成為良好的引力波源。雖然無法通過望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)，但一個(gè)雙星系統(tǒng)中的兩個(gè)黑洞并合是能量最高的天體物理現(xiàn)象之一。兩個(gè)具有太陽質(zhì)量的黑洞并合發(fā)出的引力波功率量級(jí)大概是1046瓦特，這已經(jīng)可以媲美太陽發(fā)光的功率（1026瓦特）。但是，所有的大功率引力波源和我們的距離都十分遙遠(yuǎn)，在地球上進(jìn)行的探測(cè)實(shí)驗(yàn)只能收集到非常微弱的信號(hào)。在這種信號(hào)的作用下，測(cè)試質(zhì)量間距的相對(duì)變化最高也只有10–20，相當(dāng)于太陽和地球之間的距離改變了一個(gè)原子的直徑。對(duì)脈沖雙星PSRB1913+16的研究間接地證明了引力波的存在。美國(guó)人約瑟夫（Joseph Hooton Taylor）和拉塞爾（RussellHulse）于1974年發(fā)現(xiàn)了PSRB1913+16（他們也因此于1993年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）。這個(gè)雙星系統(tǒng)公轉(zhuǎn)周期的逐步減少與能量的消失有關(guān)，而消失的能量轉(zhuǎn)化成了引力波。這個(gè)效應(yīng)其實(shí)類似于拉普拉斯為了解釋月球在軌道上的加速而提出的理論。法國(guó)物理學(xué)家蒂博（ThibaultDamour）和娜塔莉（Nathalie Deruelle）等人的計(jì)算證明，廣義相對(duì)論和脈沖雙星觀測(cè)結(jié)果是一致的。之后就是直接探測(cè)引力波了，這就是位于意大利比薩南部的VIRGO探測(cè)器以及分別位于美國(guó)兩個(gè)地點(diǎn)的激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）承擔(dān)的重任。這些儀器能夠探測(cè)出相當(dāng)于原子直徑比上太陽系直徑的距離相對(duì)變化。在21世紀(jì)初的首階段運(yùn)行中，這些探測(cè)器未能探測(cè)到引力波，但是此后研究者對(duì)它們的靈敏度進(jìn)行了一次大升級(jí)。先進(jìn)LIGO（AdvancedLIGO）已投入運(yùn)行。VIRGO探測(cè)器的高級(jí)版本也將在2016年投入使用。這些探測(cè)器利用的是干涉測(cè)量方法。測(cè)試質(zhì)量是懸掛于探測(cè)器的兩個(gè)互相垂直的長(zhǎng)臂末端的反射鏡。探測(cè)器兩臂內(nèi)穿梭著大功率的激光束（功率可達(dá)200瓦特）。兩臂長(zhǎng)度的微弱變化會(huì)影響兩束激光相遇處的光強(qiáng)。兩個(gè)反射鏡相距越遠(yuǎn)，由引力波造成的臂長(zhǎng)變化量就會(huì)越大，也更“容易”被觀測(cè)到。法意合建的VIRGO探測(cè)器的臂長(zhǎng)達(dá)3千米。紅外激光器發(fā)出的激光束被半透明反光鏡（分光鏡）一分為二。每束激光會(huì)進(jìn)入一個(gè)長(zhǎng)達(dá)3千米的光腔，然后照射到反射鏡上（即測(cè)試質(zhì)量），接著反射鏡會(huì)把激光反射回分光鏡那里。在返回分光鏡前，激光在光腔中已被來回反射了許多次。這多次來回會(huì)顯著增加探測(cè)器的等效臂長(zhǎng)。由于光的波動(dòng)性，分光鏡上兩束激光互相疊加發(fā)生干涉。實(shí)驗(yàn)開始前，科學(xué)家調(diào)整儀器，讓兩束激光發(fā)生相消干涉——一束光的波峰正對(duì)應(yīng)另一束光的波谷，反之亦然。通過這種方式兩個(gè)光波互相抵消，而傳感器（一個(gè)光電二極管）不會(huì)記錄下任何信號(hào)。當(dāng)引力波經(jīng)過時(shí)，每束激光的光程會(huì)發(fā)生微小的變化。這將會(huì)改變兩束激光波峰和波谷的相對(duì)位置，因此兩者的疊加并不會(huì)發(fā)生相消干涉，而傳感器則會(huì)記錄下一個(gè)信號(hào)。研究人員可據(jù)此推導(dǎo)出臂長(zhǎng)的變化并確定是否曾有引力波經(jīng)過。經(jīng)過升級(jí)改造的干涉儀可探測(cè)的最小臂長(zhǎng)變化量的量級(jí)是10–20米，差不多是質(zhì)子大小的十萬分之一。但是，除了引力波以外有許多其他因素會(huì)影響反射鏡之間的距離。物理學(xué)家正在嘗試從“噪音”中分離出由引力波引發(fā)的信號(hào)。測(cè)試質(zhì)量上的反射鏡在被運(yùn)送到VIRGO臺(tái)址之前，首先會(huì)在測(cè)試工作臺(tái)上接受分析。研究人員尤其關(guān)注鏡片表面，它必須毫無瑕疵。VIRGO與LIGO干涉儀工作時(shí)既互相獨(dú)立，又齊心協(xié)力?？茖W(xué)家希望綜合多個(gè)干涉儀的信息，利用三角測(cè)量法來確定引力波源在天空中的具體位置。三角測(cè)量法的原理就好比用雙耳來聽聲音。用單耳聽是無法確定聲源位置的。聲音到達(dá)兩只耳朵的時(shí)間存在先后差異，通過這個(gè)時(shí)間延遲就可以推算出聲源的方位。與此類似，一臺(tái)干涉儀接收到的引力波信號(hào)可以來自任何地方，在地球表面至少需要3臺(tái)互相分離的引力波探測(cè)器才能確定波源的位置。VIRGO與LIGO的兩臺(tái)探測(cè)器合作，組成了這種引力波探測(cè)網(wǎng)，并從2007年開始運(yùn)行。兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的研究者分享這些探測(cè)器的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行整合分析。這種數(shù)據(jù)共享還有一種好處：如果真的出現(xiàn)了引力波信號(hào)，那么所有探測(cè)器都應(yīng)該探測(cè)到它，所以數(shù)據(jù)分享是個(gè)確認(rèn)信號(hào)的好方法。對(duì)引力波源進(jìn)行實(shí)時(shí)定位還能讓在各個(gè)電磁波段工作的天文望遠(yuǎn)鏡和衛(wèi)星也同時(shí)指向波源，觀測(cè)與引力波相關(guān)的天文現(xiàn)象（如伽馬射線等）。2007年到2011年間，VIRGO和LIGO搜索了能夠讓臂長(zhǎng)變化10–22米的引力波。但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。探測(cè)器的靈敏度會(huì)對(duì)最大可探測(cè)距離造成直接影響（探測(cè)器只能探測(cè)到這個(gè)距離內(nèi)的引力波源）。這個(gè)距離取決于波源的種類、特征、引力波的振幅、持續(xù)時(shí)間以及頻率范圍。打個(gè)比方，以VIRGO的靈敏度要探測(cè)到兩個(gè)1.4倍太陽質(zhì)量的中子星碰撞時(shí)發(fā)出的引力波，這兩個(gè)中子星到地球的距離要在4000萬光年以內(nèi)。而由脈沖星（高速自轉(zhuǎn)的中子星）發(fā)出的引力波信號(hào)在幾萬光年外就無法被探測(cè)到了。知道了最大的測(cè)量距離后，還要考慮到引力波源的出現(xiàn)頻率。一些引力波源非常罕見，比如相互碰撞的中子星要比單個(gè)的中子星少得多。如果能夠提高引力波探測(cè)器的靈敏度，那么探測(cè)到引力波的可能性也會(huì)上升。換句話說，環(huán)繞地球的可探測(cè)宇宙范圍將被擴(kuò)大。從2011年底起，VIRGO經(jīng)歷了一些重大改造，變成了“先進(jìn)VIRGO”（AdvancedVirgo），將于2016年開始運(yùn)行?！跋冗M(jìn)VIRGO”的反射鏡變得更重，激光器的功率擴(kuò)大了10倍，光學(xué)設(shè)置進(jìn)行了調(diào)整，分析程序也得到了優(yōu)化。到2020年，先進(jìn)VIRGO能夠探測(cè)的距離將是VIRGO的10倍，而它能探測(cè)的宇宙范圍將擴(kuò)大1000倍。我們希望利用它在每年探測(cè)到更多的中子星碰撞。與此同時(shí)，LIGO也進(jìn)行了升級(jí)改造，而且日本和印度也在建造新的引力波探測(cè)器，中國(guó)也在籌備引力波探測(cè)計(jì)劃。在遙遠(yuǎn)的未來，人類還有更加雄心勃勃的引力波探測(cè)計(jì)劃，如建造在地下的臂長(zhǎng)為30千米的愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡（EinsteinTelescope），或是位于太空的，臂長(zhǎng)為500萬千米的演化空間激光干涉天線（eLISA），我們對(duì)來自宇宙的天籟將變得更加熟稔。（編輯：p_vhehwang）