人类首次发现引力波

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探测浩瀚宇宙的涟漪——人类首次发现引力波张端明　黄志芳 《 中华读书报 》（ 2016年02月24日   09 版）

LIGO探测到双黑洞碰撞产生的引力波,打开了一扇观察宇宙的新窗口（示意图）。图片来源：LIGO新闻发布会直播截图

耶路撒冷希伯来大学的相关人员展示爱因斯坦预言引力波存在的历史文件

    一、科学世界的春雷
　　2016年2月11日，美国科学家宣布，人类首次直接探测到了引力波。引力波是爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”，自提出至今已有百年历史。实施此次引力波研究的是美国“激光干涉引力波天文台”（LIGO）的国际科学合作组织（LSC），该组织包含来自美国和其他14个国家的1000多名科学家。LSC中的90多所大学和科研机构参与研发了探测器所使用的技术，并分析其产生的数据，我国清华大学也在其中。
　　这一引力波信号于世界协调时间2015年9月14日9:51（北京时间当天下午5:51分），由彼此相距3000公里的路易斯安娜州列文斯顿(Livingston,Louisiana)和华盛顿州汉福德(Hanford,Washington)的激光干涉引力波观测台(LIGO)的一对探测器探测到。
　　基于观测到的信号，LIGO的科学家们估算出两个并合黑洞的质量大约分别是太阳质量的29和36倍，并合发生于13亿年前。根据爱因斯坦的广义相对论，这一对黑洞在相互绕转过程中通过引力波辐射而损失能量，这一过程持续数十亿年，两者逐渐靠近，过程的最后几分钟快速演化。大约三倍于太阳质量的物质在短短1秒之内被转化成引力波，以超强爆发的形式辐射出去。相应的转化能量根据爱因斯坦的质能公式E=MC2可以很容易地估算出来，爆发的能力极其猛烈巨大。而两个黑洞以几乎一半光速的超高速度碰撞在一起，并形成了一个质量更大的黑洞。辐射的引力波经过漫长13亿年的旅行，首先到达Livingston探测器，7毫秒之后到达Hanford探测器。LI⁃GO观测到的引力波信号就是这样来的。
　　这一发现立刻轰动了世界。从科学上来说，这是一次里程碑式的重大成果。有史以来，科学家第一次观测到了时空中的涟漪——引力波，这一来自遥远宇宙的灾变性事件所产生的信号。这一探测证实了阿尔伯特·爱因斯坦在1915年提出的广义相对论的一个重要预言，并打开了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口。我们人类开启了一场波澜壮阔的新征程：一场探索宇宙引力波奥秘——通过弯曲时空而产生的事物和现象——的征程。不难想象，宇宙大爆炸所遗留的回响——引力波背景辐射的发现也是指日可待的事了。从技术上说，无论从测量的精度和复杂性来说，这一发现是无与伦比的。一门新兴的探测技术——引力子探测术由此诞生。对于未来的天体物理、宇宙学的发展，这门新技术的诞生具有无可估量的价值。首先引力波携带着波源的信息，而波源往往伴随剧烈的天体现象，暗藏许多难解的宇宙之谜：如超新星爆发、黑洞碰撞、大星系的并合，甚至宇宙大爆炸甚早期阶段的种种波澜壮阔的剧烈现象（如暴胀现象）。引力波不会受到障碍而衰减或畸变，这样一来，我们将拥有极为敏感、保真度极高的探测宇宙深处，因而也是宇宙早期的强大工具。
　　发人深思的是，此次LIGO项目的主要发起人基普·索恩（KipStephenThorne）不仅是著名的美国理论物理学家，而且也是国际知名的科普专家。他曾指导热门科幻电影《星际穿越》与《超时空接触》，其科普著作《黑洞与时间弯曲——爱因斯坦的幽灵》名满天下。索恩和科学怪杰英国物理学家斯蒂芬·霍金，以及美国天文学家、科普作家、科幻小说作家卡尔·萨根保持了长期的好友和同事关系。
　　对于一般读者来说，引力波和引力波的探测并非容易理解的事。主要的原因是它涉及极其玄奥的高科技前沿，极为抽象，涉及领域极为广阔。但是从科学图像出发，我们通俗浅显地介绍有关科学概念还是有可能的。首先我们从什么是引力波谈起。
    二、广义相对论与引力波的预言
　　什么是引力波呢？简言之，是宇宙时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递。目前流行的一种简单的解释就是，宇宙时空类似于床垫，黑洞或恒星等巨大的天体类似于重重的铅球，行星则类似于小小的乒乓球。当铅球放置在床垫上时，会压出一个凹坑，从而迫使铅球周围的乒乓球向着它靠拢，看起来似乎是铅球和乒乓球相互吸引。因此时空“床垫”的弯曲，等价于物体之间的引力。当天体质量发生变化（例如旋转或运动）时，相当于铅球在床垫上滚动，导致的床垫变形以震动（波）的方式向外扩散，就形成了“引力波”。因此，有人把引力波诗意地称为“时空的涟漪”。
　　关键是，什么是宇宙时空呢？我们在此不能不对我国古人的智慧折服。在中国古代就有“上下四方曰宇，往古来今曰宙”的说法（即宇的意思是无限空间，宙的意思是无限时间）。爱因斯坦说宇宙就是时空，两者意思完全一样。爱因斯坦的伟大贡献在于令人信服地指出时间和空间是相关的。他在1905年提出的狭义相对论论证了空间和时间实际上是密切相关的，而且彼此之间由洛仑兹变换公式联系。从爱因斯坦的观点来看，我们人类生活的物理空间，不是通常直觉认为的三维空间，而是四维空间，物理学家称为闵可夫斯基（Minkowski）时空（这个命名是为了纪念德国数学家闵可夫斯基在相对论的数学表述工作中的重要贡献）。闵可夫斯基在1919年召开的第八十届德国自然科学家会议上有一段精辟的论述。他说，在广义相对论中，“时间和空间本身，各自都像影子般消失，只留下时间和空间的一个融合体作为独立不变的客观的实体存在”。
　　爱因斯坦的引力理论是建立在四维弯曲空间的几何学，就是广义相对论。爱因斯坦的相对论最重要的贡献之一，就是确认所有的相互作用都是以有限的速度传递的。例如电磁波就是以光速传播的，因此引力的传播也是以光速或者略低于光速传播。如果组成引力波的引力子的静止质量与光子一样为零，则传播速度为光速。但是引力子的静止质量迄今尚未测量，不能完全排除具有极微小的质量，故也可能稍低于光速。因为在爱因斯坦的理论中，引力不是别的就是宇宙时空的弯曲，因此我们不要忘记，所谓引力波的传播，实质上就是宇宙时空弯曲的传播，因此形象地说引力波就是时空的涟漪是很恰当的。1915年爱因斯坦正式提出广义相对论，在精度不高的情况下，这个理论与牛顿的万有引力定律的结果是一致的。但是在精度更高的情况下，广义相对论有很多新的结果，新的预言。奇妙的是这些预言在其后的100年中都得到了实验的证实。
　　广义相对论的最重要、最奇妙的预言应该是引力波的存在。爱因斯坦预言引力波的原始论文现收藏在以色列的耶路撒冷。而这个预言的证实居然要花费101年的时间却出乎人们的意料。但是正如我们后面要谈到的，引力波通常强度极其微弱，在现有技术条件下，测量的难度很大，即使是在极为猛烈的天体现象中产生的引力波。
　　下面让我们首先介绍广义相对论的实验验证的大致情况。
   三、广义相对论的实验验证
　　首先是水星近日点进动。太阳系的水星的轨道总是在发生漂移，就是说水星轨道上的近日点发生微小的摄动。其大小为沿轨道每百年5600.73″，这就是所谓“进动”现象。而根据牛顿万有引力计算，其值为5557.62″/百年，相差43.11″/百年。理论和实验存在误差的这个问题从19世纪下半叶以来，一直困扰着物理学家。1916年，爱因斯坦用广义相对论计算得到这个偏差为42.98″/百年，几乎完美地解释了水星近日点进动现象。爱因斯坦本人说，当他计算出这个结果时，简直兴奋得睡不着觉。这是他本人最为得意的成果。
　　光线偏折和引力透镜。万有引力定律和广义相对论都预言光在传播中会受到物体质量的影响而发生偏折。太阳附近存在时空弯曲，背景恒星的光传递到地球的途中如果途经太阳附近就会发生偏转。但是爱因斯坦预测光线偏转角度是1.75″，而牛顿万有引力计算的偏转角度为0.87″。最好的观测机会必须等待日全食的时候才可以。机会终于来了，1919年5月29日有一次条件极好的日全食，英国爱丁顿领导的考察队分赴非洲几内亚湾的普林西比和南美洲巴西的索布拉进行观测，结果两个地方三套设备观测到的结果分别是1.61″±0.30″、1.98″±0.12″和1.55″±0.34″，与广义相对论的预测完全吻合，爱因斯坦因此名声大噪。这是对广义相对论的最早证实。有趣的是1922年，原来对于广义相对论持怀疑态度的美国天文学家坎普贝尔(Campbell)在澳大利亚观测日食，其结果使得科学界完全信服爱因斯坦关于“太阳的引力可能引起恒星光线偏折”的预言的正确性。1990年哈勃望远镜升空，以及人类发射的一系列空间望远镜拍摄到许多被称为“引力透镜”的现象，如爱因斯坦十字、爱因斯坦圆环等等，都是广义相对论的实验铁证。
　　引力钟延缓。广义相对论预言，引力越大，时间的进程越慢。站在地面上的人相比于国际空间站的宇航员感受到的引力更大，那么地面上的人所经历的时间相比于宇航员走得更慢，长此以往将比他们更年轻！1971年做过一次非常精确的测量，哈菲尔（J．C．Ha1ele）和基丁（R．E．Keating）把4台铯原子钟分别放在民航客机上，在1万米高空沿赤道环行一周。一架飞机自西向东飞，一架飞机自东向西飞，然后与地面事先校准过的原子钟做比较。同时考虑狭义相对论效应和广义相对论效应，东向西的理论值是飞机上的钟比地面快275±21纳秒（10-9s），实验测量结果为快273±7纳秒，西向东的理论值是飞机上的钟比地面慢40±23纳秒，实验测量结果为慢59±10纳秒。其中广义相对论效应（即引力效应）理论为东向西快179±18纳秒，西向东快144±14纳秒，都是飞行时钟快于地面时钟。此处需要说明的是，由于飞机向东航行是与地球自转方向相同，所以相对地面静止的钟速度更快，导致狭义相对论效应（即运动学效应）更为显著，才使得总效应为飞行时钟慢于地面时钟。
　　引力红移。从大质量天体发出的光（电磁辐射），处于强引力场中，其光振动周期要比同一种元素在地球上发出光的振动周期长，由此引起光谱线向红光波段偏移的现象，这就是所谓引力红移现象。红移量一般很小难于测量，只有在引力场特别强的情况下，引力造成的红移量才能被检测出来。二十世纪六十年代，庞德、雷布卡和斯奈德在哈佛大学的杰弗逊物理实验室采用穆斯堡尔效应的实验方法，定量地验证了引力红移。结果表明实验值与理论值完全符合。2010年来自美国和德国的三位物理学家马勒（H．Muller）、彼得斯（A．Peters）和朱棣文通过物质波干涉实验，将引力红移效应的实验精度提高了一万倍，从而更准确地验证了爱因斯坦广义相对论。
　　黑洞。广义相对论表明，质量大到一定程度，引力将把大量物质集中于空间一点，并产生奇异的现象。这种天体被美国物理学家约翰·阿奇巴德·惠勒命名为“黑洞”。黑洞的质量极其巨大，而体积却十分微小，密度异乎寻常地大，其引力场极为强大，以至于任何物质和辐射（包括光）在进入到黑洞的一个事件视界（临界点）内，便再无法逃脱。太阳如果其半径缩小到3千米以内，而地球缩小到其半径只有区区0.89厘米，都将变为黑洞。1964年，发现银河系的中心附近出现神秘的X射线源。1971年美国“自由号”人造卫星的观察表明，该X射线源是一个看不见的质量约10倍于太阳的黑洞所发出的，它牵引着一颗超巨星。这大概是人类发现的第一个黑洞。此次发现的引力波，也可以视为黑洞存在的又一证明。
　　引力拖曳效应。广义相对论认为，旋转的物体（特别是大质量物体）会使空间产生特殊的拖曳扭曲，正如在水中转动的球，顺着球旋转的方向会形成小小的波纹和漩涡。因此地球转动所引起的拖曳效应，将使在空间运行的陀螺仪的自转轴发生41/1000弧秒的偏转。这个角度相当于从华盛顿观看一个放在洛杉矶的硬币产生的张角。2004年4月20日，美国航天局“引力探测-B”（GP-B）卫星从范登堡空军基地升空，以前所未有的精度观测地球这种引力拖曳效应。卫星在轨飞行了17个月，其后对测量数据进行了5年的分析。2011年5月4日美国航天局发布消息称，GP-B卫星已经证实了广义相对论的这项预测。
   四、引力波发现的艰难历程
　　引力波的预言是爱因斯坦1916年的论文中提出的，1918年爱因斯坦还订正了论文中的个别计算错误。但是由于引力相互作用极其微弱，引力波的测量就难上加难了。以至于爱因斯坦生前多次谈过，也许引力波永远也发现不了。物质，由原子而分子，都是借助于电磁相互作用而结合起来的。通常的精密测量仪器大多是利用电磁相互作用的。科学家估算过引力相互作用比较电磁相互作用的相对强度，如果以均为相对距离的10^-15米测量，设电磁作用的强度为1，则引力相互作用的强度不过10^-37。有人形象做了比喻。我们可观测宇宙的尺度大致是1000亿光年左右，即便在宇宙中堆满番茄酱，想要吸收掉1%的引力波能量，你的番茄酱墙需要大概400万亿光年那么厚。换言之，这个过程需要花上400万亿年。顺便说说，我们的宇宙年龄在138亿年左右。
　　无论引力或者引力波引起的效应多么微弱，但是既然引力波就是空间弯曲或者变形的传播，不难想象如果一串引力波迎面通过我们自己，我们多多少少会变高变瘦，或者变矮变胖。或者说，在引力波的作用下，物体会不断发生拉伸和压缩。我们必须记得，这种真实的变形幅度非常小。例如此次观察到的引力波，只会使物体稍稍变形，大约会使地球产生的空间畸变不超过10^-14米，刚好比质子大10倍。一个氢原子的直径大概是10^-13米。这在技术上要求，引力波探测器要能够检测到约10^-21量级的长度变化。这是极高的极难的技术标准。
　　引力波的探测最早始于20世纪60年代。1969年6月波马里兰大学帕克分校的物理学家约瑟夫·韦伯（JosephWeber）宣称利用自制的仪器——引力波测量棒发现了引力波。当引力波穿过这个测量棒的大铝块时，铝块就会产生振动，从而被探测到。这个宣布曾经轰动一时。但是经过科学家的仔细分析和检查，证明这个发现是不可靠的。这个测量棒的精度远远达不到发现引力波的要求。
　　1974年马萨诸塞大学阿默斯特分校的罗素·胡尔斯（RussellHulse）和约瑟夫·泰勒（JosephTaylor）发现脉冲双星。它包含两个中子星，在互相绕转的同时逐渐向内接近，人们认为在这种相互靠近的过程中能量的损耗会以引力波的形式辐射出去。这个发现荣获1993年诺贝尔物理学奖，但是只能算引力波的间接证实。
　　长度的测量，最精密的仪器是迈克尔逊干涉仪。所谓干涉仪就是利用波的干涉现象测量物体长度的变化的仪器。20世纪90年代，麻省理工学院的莱纳·魏斯（RainerWeiss）想到了一个绝妙的点子：用激光的干涉来测量引力波。简单来说，一束激光在经过一个半透镜后朝向两个互相垂直的方向前进，各自撞上一面反射镜，反射回来重新汇聚。理论上，只要反射镜与半透镜的距离精确一致，汇聚后的激光能够由于干涉而相互抵消。而一旦引力波经过，激光走过的距离被改变，干涉现象也会因此发生变化，从而被观测到。加州理工的著名引力学家基普·索恩发现在魏斯的方法上进行合理的改进，就有可能测量到引力波。于是，加州理工和麻省理工开展合作，主导了两个激光干涉引力波观测台（LIGO）的建设。LIGO呈现巨大的L形，每一边都有4千米长。1990年激光干涉引力波天文台（LIGO）获得批准可以建造，并在1992年确定了两座探测器的选址，探测器的建设于1999年完工，并于2001年开始收集数据。
　　测量引力波的仪器，在正常情况下，LIGO发出的激光相互抵消，将接收不到光信号；但如果引力波经过，情况就有所不同了。由于光速是不变的，引力波将导致激光跑过的路程被拉长或压缩，从而激光通过该边的时长就会发生变化。如果发现这种变化，就意味着测量到了引力波。问题的复杂性还在于，环境轻微震动或人为的信号漂移都会成为影响引力波测量的噪音。2010年9月16日，LIGO和VIRGO似乎同时探测到一个信号，方向大概来自大犬座。当时这个消息使得LIGO科学合作组织的一般成员大为振奋。论文有待发表，新闻稿箭在弦上。后来知道这个事件是项目组的一个所谓三人特别小组特意发出的假信号数据。因此要得到可靠的观察结果，必须首先排除这种环境干扰，假信号的干扰。
　　2014年3月位于南极的BI⁃CEP2设备观测到了另一种引力波的存在证据。研究者称，这是一种微弱的信号，可能来自于宇宙大爆炸时产生的原初引力波。但是随后的分析否定了上述论断，该信号是太阳系星际尘埃粒子形成的产物。
　　在此次观测中，2010年观察天文台的设备，经过升级换代，变得更为可靠，更为灵敏，更新为高新激光干涉引力波天文台（advanceLIGO），2015年早些时候试运行，并且经过数个月的工作，证实技术可靠。仪器的精度比五年前提高了10倍。2015年9月正式投入运行，而且加上好运气，在2015年9月14日探测到了引力波信号，最终将它命名为GW150914。之所以说运气好，是因为LIGO探测到真正的引力波的机会并不大。由于LIGO的设置所满足的测量要求仅能用于测量邻近星系里中子星或黑洞并合产生的引力波，它每年能遇见的引力波事件概率在1/10000件到1件之间。
    五、基础科学研究与中国科学家的使命
　　引力波的测量是典型的大科学型基础研究，美国国家自然科学基金会1992年启动LIGO项目是该基金会有史以来最大的一笔投资。我们已经讲过，这个项目技术难度极大，相关的科学探索遇到的困难和挫折极多，因此是一项有很高风险的资助，当时受到的质疑和批评极多，但是美国自然科学基金会毅然决然批准了该项目的实施。美国人敢于承担风险，不怕失败，敢于创新，敢为天下先的科学精神，是值得我们学习的。我们以为这就是为什么美国一直是全球先进知识创新领导者的原因。
　　基础研究是人类探索自然认识自然的必经途径，人类充满强烈好奇心，在不断深化对于宇宙和人类自身的认识。这种探索往往是不带功利的，但是毋庸置疑由此而发现的许多基本自然规律，往往都具有重大的应用前景，伴随着人类技术的大突破。例如人类历史上的第三次或者第四次产业革命都是源自于物理学的革命。进入21世纪以来，基础科学，例如物理学中的宇宙学、高能物理（中微子物理与标准模型中的希格斯粒子）和光学的前沿不断取得革命性的进展。我们国家由于历史的原因，在相关的领域曾经落后于欧美先进国家。但是近年来进展很大，例如大亚湾核电站以王贻芳教授为首的团队发现中微子的第三种振荡方式和物理所以方忠教授为首的团队在凝聚态中发现Weyl费米子，以及我国科学家发射卫星探测暗物质等等，都是科学前沿突破性的进展。
　　在LIGO科学合作组织中也活跃着不少中国人的身影，包括大陆地区LIGO科学合作组织的唯一成员单位清华大学，利用GPU加速引力波暴数据分析和实现低延迟实时致密双星并合信号的搜寻；采用机器学习方法加强引力波数据噪声的分析；分析引力波事件显著性的系统误差等。此外清华还参与构建引力波数据计算基础平台，开发的数据分析软件工具为LSC成员广泛使用。
　　实际上，中山大学在上个世纪的七八十年代就展开了引力波的相关研究，研发出的共振型引力波天线在质量上达到了当时的世界前列。可惜的是此项研究因为短期内看不到测量到引力波的前景而半途夭折。幸运的是最近该校提出了探索引力波的“天琴计划”，计划从2016年到2035年分四阶段进行，将向太空发射三颗卫星探测引力波。该计划的三颗卫星(SC1、SC2、SC3)在太空中的分列图类似乐器竖琴，故命名为“天琴计划”。天琴计划与LIGO不同的是，后者是探测高频段的引力波，而前者则是探测低频段引力波。低频段的引力波是连续的引力波，其反映出来的东西更多元更丰富，一方面可从侧面验证LIGO引力波源、引力波传播的性质，另一方面也可能探测到大质量甚至超大质量的黑洞。该计划由罗俊院士领衔，主要参与者有著名的理论物理学家李淼。
　　行动更快的是，中国科学院2月16日公布了空间引力波探测与研究的“空间太极计划”，该项目已被列入中科院制订的空间2050年规划。2008年由中科院发起，中科院多个研究所及院外高校科研单位共同参与，成立了中国科学院空间引力波探测论证组。经过几年的努力，目前已形成中科院院士胡文瑞、吴岳良为首席科学家的“空间太极计划”工作组，在引力波源的理论及探测研究和卫星技术研究等方面有所进展。根据该计划，我国将在2030年前后发射由位于等边三角形顶端三颗卫星组成的引力波探测星组，用激光干涉方法进行中低频波段引力波的直接探测。主要科学目标是观测双黑洞并合和极大质量比天体并合时产生的引力波辐射，以及其他的宇宙引力波辐射过程。
　　在国际科学界竞相开展大型科研究项目的背景下，我们应该为我国科学家锐于进取勇攀世界科学高峰的精神擂鼓叫好。我们中国人终于甩开膀子快步踏入世界基础科学研究的前沿，敢于代表全人类的智慧向上帝提出挑战。但是，我们不得不加个但书，表达我们深切的关切和期待。我们的国力终究有限，以欧美之富尚且多年来仅只支持了一个探索引力波的研究项目，我们一个发展中的大国难道能够同时资助两个类似的高风险、高难度和高投入的探索项目吗？我们迫切希望有关方面，能够高瞻远瞩，周密部署，有效地整合有限的财力、物力和人力，有选择、有步骤、有重点地实施少数几个重大基础研究项目。在引力波的探索领域，我们看到了这种整合的需要。一方面要创造条件，奋勇而上；另一方面也不应一哄而起，仓促上阵。
　　我们相信，未来引领科学进步的漫漫长路上，中国人的身影会越来越多，越来越高大。