发现引力波：整个宇宙在颤动

2月11日，加州理工学院、麻省理工学院以及“激光干涉引力波天文台”的研究人员在华盛顿举行记者会，宣布他们探测到引力波的存在。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”。

什么是引力波？

很多人都听说过爱因斯坦的广义相对论，但并不知道它讲了什么。事实上，广义相对论的很多推论是人们的直觉无法理解的。比如这一项——引力的定义。

既然称之为引力波，它必然与引力有关。所以，在更深一步了解引力波之前，我们需要了解一下人类对于引力的认识过程。17世纪末的物理学家牛顿看到了下落的苹果，意识到物体之间普遍存在的一种力，称之为“引力”，并且将其数学化，这就是我们熟知的——万有引力。

万有引力认识的精髓是物体质量的存在导致了引力，这在牛顿之后的两百多年里被认为是宇宙间的绝对真理。直到1905年狭义相对论发表，再到1915年广义相对论的发表，爱因斯坦提出了一种完全不同的对于引力的看法，引力是因为质量对于时空造成了变形所导致，而非质量之间的吸引。在广义相对论中，引力被归咎于时空的弯曲。它的意思是，我们平时看到的空间貌似是平直的，但真实的情况中，却是像哈哈镜里一样扭曲的。这种扭曲是物质造成的，质量越大，扭曲就越大。这就意味着，我们时空可被当做一种可以变形的介质来认识。所以引力波，简单来说，就是时空自身的波动。相比较我们熟知的无线电波（或者电磁波），它仅仅是在时空之中传播的，时空是它的媒介。

人们常说“星辰大海”，如果将时空视作海洋，那么天体就如同海洋生物一般。可以想象，如果大海中的某个生物摇了摇尾巴、或是晃了晃头，海水由此所产生的波动就会向外传播。与此类似，宇宙中某个天体的剧烈活动，会对所在的时空产生扰动，时空自身的波动也会向远处传播，如果足够强，就能够为地球上的我们所感知。

在引力的世界中，我们的宇宙通常是平静的。可是在北京时间2015年9月14日17点50分45秒，地球上的LIGO探测器却探测到了来自于宇宙深处距离地球13亿光年之外的一场引力风暴，来自于一个双黑洞系统的合并，以它的探测日期命名为GW150914。

两个黑洞的“火拼”

此次发布会的另外一个亮点就是双黑洞。这也是人们首次直接发现双黑洞，这两个黑洞的质量分别为26和39太阳质量，属于恒星级黑洞。或许你已经听腻了黑洞，生活中时不时的会听到某某黑洞爆发了，某某黑洞吞吃恒星。但是这此发现却有些不同，两个天体都是黑洞，互相绕转，最后合并。这听起来像是一场黑吃黑的火拼，甚至有点儿像港片里熟悉的火爆场面。黑洞合并产生了非常强烈的时空振荡，所以我们遥远的地球才观测到了。

黑洞通常认为是大质量（超过25个太阳质量）的恒星在其演化的最终阶段，恒星中心会形成我们了解的恒星级黑洞。它们的质量通常预计在3个太阳质量到100个太阳质量之间。因为黑洞本身没有任何的辐射，所以我们不能直接看到黑洞。我们的银河系或者其他类似的星系当中，每个星系都预计存在着上千万个恒星级黑洞，但是绝大多数的黑洞都是孤独存在的天体，如同幽灵般，没有任何辐射或者辐射及其微弱，所以很难被看到。

所幸，有的黑洞处于双星系统当中，而且其中一个天体是正常的恒星。在这种情形之下，黑洞会从正常恒星上吸积气体，在其周围产生一个吸积盘，以至于某些时候吸积气体的量过多，不能被黑洞直接吞掉，这时还会沿着黑洞的两个转轴将多余的气体抛射出去，从而产生非常壮观的喷流。正是因为吸积盘和喷流的存在，他们都能够产生我们非常熟知的电磁辐射，从而我们利用传统的探测方式，比如地面或者太空的望远镜，就可以间接地探测黑洞的存在。

大约在50年前，人类就是利用此方法发现了了第一个黑洞候选体，天鹅座X-1 （Cygnus X-1）。在1974年，地球上两颗聪明的大脑、理论物理学家霍金和好朋友基普·索恩就这个候选体是不是黑洞而打了个赌，他们以一年的成人杂志《阁楼》作为赌注。后来的观测是利用天鹅座X-1中的伴星运动测得了黑洞质量，大约为15个太阳质量，从而霍金认输并且在两人的赌书上签名按上了自己的手印。基普·索恩从那时就赢了。

对于双黑洞系统，他们几乎不会产生能够为传统方式所观测到的光子。所以，即使它们存在，利用传统的观测方式，我们也不能发现他们。况且，很多人都怀疑它的存在。但是，在双黑洞绕转，尤其是合并之时，会产生很强的引力波。只要引力波探测器足够灵敏，我们就可以发现它们的踪影。面对大家的怀疑，LIGO的发现用事实证明了它的存在。而此次发现引力波的天文台的创建人之一就是基普·索恩——索恩教授又一次赢了。

用圆规丈量宇宙

从预言到探测，物理学家等待引力波的到来已有一百年之久，为什么引力波这么难得一见？主要原因是，相比较其他的几种力（强力、弱力、电磁力），引力是最弱的，相应的引力波效应也就很弱。当初爱因斯坦在发表自己新的理论之后，就估算了引力波的强度。引力波的强度通常利用相对变形大小来表示，但是结果往往是小的可怜，几乎无法探测到。引力波是时空的自身变形，在一个方向上被拉伸，在其垂直的另外一个方向上就会被压缩。如果有一天，我们被同样的双黑洞系统在合并时所产生的引力波（变化强度为1.0E-21）所击中的话，理论上来说，我们同样会经历一个稍微变高变瘦，然后变胖变矮一些的过程。实际上，对我们身高不超过2米的人类来说，导致的变化大约为2E-21，为一个氢原子的五百亿分之一。endprint

对于不喜欢睡眠被地震打扰的普通人来说，感受不到宇宙的震动是多么幸福。但物理学家急需感觉到这种震动，来证明自己确实读懂了宇宙。于是，他们发明了世界上最大和最贵的“圆规”——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（NSF）的资助下，开始联合建设“激光干涉引力波天文台”（LIGO）。不过，LIGO建成后一开始并没有什么作为，经过数次耗资不菲改造，LIGO总算带来了好消息。

LIGO的“两条腿”都有4000米长，长臂中间是高度真空的管子，而在长臂两端，悬挂着大约直径34厘米、重达40kg的反射镜。最近的一次升级就花去了几十亿美元。LIGO的探测器利用激光干涉技术，不间断地测量每对反射镜之间的距离。每当引力波通过探测器时，人们会探测到两对反射镜之间的距离呈现此消彼长的周期性变化。

即使对于LIGO天文台4公里的长臂，引力波所造成的变化也是极其微小的。对于此次新闻报道中的双黑洞合并，其可能产生的尺度相对变化最高可为1.0E-21，意味着4公里的长度也仅仅只变化了一个氢原子直径的2.5千万分之一。为了达到这个精度，LIGO的科学家做了许多精密的设计，保证探测系统的稳定，保证LIGO反射镜的位置随机涨落小于一个氢原子大小的百亿分之一，从而保证可以相对比较容易的探测到可能的引力波源。

引力波能带来什么？

对物理学家来说，这轻轻的一震，比《美人鱼》、《星球大战》乃至人类史上所有的电影加起来都好看，因为它蕴含的剧情，是宇宙诞生的画面。

我们从小都被告知一个最著名的猜想——宇宙是在一场爆炸中诞生的。这意味着，在时空开始，这个大蹦床有一次最剧烈的震动。引力波就能让我们还原这个震动——它是否存在，有多大规模，诸如此类。除此之外，引力波还能让我们知道，看不到的宇宙空间在发生什么。据科学家说，这次的引力波就发生在我们看不到的超远的距离外的超级黑洞的变化引起的。如果你是《三体》迷，你就可以理解，如果在很远的星系一个文明被高阶文明炸掉了，我们能够第一时间通过引力波知道这个事情是多么重要。

一窥宇宙初生

毫无疑问引力波是对广义相对论的一个最直接的验证。另外它在弱场中已经得到验证，但是对于强引力之下的验证，之前却从来没有验证过。所以此次的观测，是对广义相对论的一个非常好的检验。

引力波以光速传播，它与物质的相互作用非常非常的弱，所以引力波可以给我们提供宇宙几乎无阻挡的图景，而这几乎是无法利用我们熟知的电磁波来达到的。比如，利用引力波，我们可以看到宇宙的最早期，宇宙大爆炸之后的1.0E-36秒开始的宇宙形成过程，而对于电磁波而言，它最早只能看到大爆炸后的大约30万年之后的宇宙历史，在此之前，电磁波是不能给我们提供的。所以引力波是我们了解宇宙形成的最好工具。

如果还记得，在《星际穿越》电影中的结尾，主人公库珀身处一个5维时空的超体方体中，为了将从黑洞中心所提取出来的信息传递给身处4维时空的女儿墨菲，人为的制造引力波效应，成功将信息传递，从而人类得以解救。引力波从目前物理学家的认识来看，是唯一一种可以在不同维度传播的波。不同宇宙之间的碰撞，会产生引力波。说不定在不远的将来，我们也可以依靠引力波来判断多重宇宙的存在与否。

就如同一个天生的聋哑人，一直在听别人说声音的存在，突然有一天听力恢复了。就是这种心情。引力波给我们打开了一扇全新的窗口。引力波是一种方式，是一种看待世界的方式。历史的发现轨迹告诉我们，每一扇新的窗口被打开，都会有令人称奇的发现。虽然LIGO的探测能力有限，一旦这个引力波的世界被撬开了一道小的裂缝，让我们看到了春天的种子，相信硕果累累的引力波丰收季节也不会太远。endprint