引力波：时空的舞蹈

荣智慧

2017年10月颁布的诺贝尔物理学奖，可以说是最缺少悬念的奖项：麻省理工学院的莱纳·魏斯（Rainer Weiss）、加州理工学院的巴里·巴里什（Barry Barish）和基普·索恩（Kip Thorne），三人将共享900万瑞典克朗（约合110万美元）的奖金。他们所在的美国激光干涉引力波天文台（LIGO）探测到了引力波的真实存在，验证了阿尔伯特·爱因斯坦一个世纪前的预测。

2015年9月，LIGO探测到了两个遥远的黑洞碰撞时所造成的时空扭曲。该项发现于2016年2月对外公布，证实科学家能够“听到”宇宙中一些剧烈事件所发射出的时空振动。这一发现，被认为是天文领域的“范式革命”，人们对宇宙的观察，开始从“看”向“听”转变。

“星际穿越”

要明白引力波，先要知道黑洞是怎么回事。黑洞是广义相对论最为极端的理论预言，广义相对论描述了物质和能量如何让时空几何发生弯曲，就像一个胖子睡在床上，床垫就会凹下去。引力波的产生常常和黑洞有关，当物质在时空中运动时，附近的曲率就会随之改变。大质量物体运动时所产生的曲率变化，会以光速像波一样向外传播，这一传播现象就是引力波，产生引力波的典型场景就是两个黑洞合二为一。

2017年诺贝尔物理学奖获得者之一基普·索恩，曾担任克里斯托弗·诺兰执导的电影《星际穿越》的科学顾问，影片中的黑洞被认为是“一个有史以来最精准的黑洞模型”—这个黑洞，可以说是整部电影的核心。索恩和影片的制片人琳达·奥布斯特是认识了30年的老相识，当年还是卡尔·萨根（美国著名天文学家、科普作者）给他俩安排了一场会面—讨论要不要制作一部涉及黑洞与虫洞的电影。

《星际穿越》讲的是一个反乌托邦的“近未来”故事：粮食作物无法存活，人类面临灭绝；由于土星附近出现神秘虫洞，NASA借机将数名宇航员派遣到遥远的星系，去寻找适合居住的星球。在琳达·奥布斯特的“牵线”之下，索恩和导演诺兰开始接触，探讨影片涉及的物理学问题，如时空曲率，现实世界的“连接点”，以及引力如何弯曲光线。

如何让遥远的宇宙空间连接现实中的地球？这个问题对于索恩来说并不陌生，他在1983年时就曾向卡尔·萨根建议，用“虫洞”解决这个连接问题。虫洞是1930年由爱因斯坦及纳森·罗森在研究引力场方程时假设的，简单地说，“虫洞”就是连接宇宙遥远区域间的“细管”，连接黑洞的时空隧道。

对于《星际穿越》来说，虫洞也是必然选择。不过接下来的问题是，如何将虫洞表现在银幕上？看完剧本之后，索恩告诉诺兰，他需要一个极大的黑洞—“巨人”（Gargantua），虫洞就是连接这个黑洞与地球的管道。在影片里，“巨人”以接近光速旋转着，将宇宙的物质一点点地吸引过去，一道“吸积盘”环绕着球形大漩涡。“巨人”的构想早在索恩1994年的科普专著《黑洞与时间弯曲》中，就提了出来，而“吸积盘”这个看起来像两个蛋挞扣在一起的造型，则是因为气流碰撞结合在一起，在离心力的作用下围绕黑洞螺旋式下落，在旋转中形成一个盘状物。

索恩最后递给诺兰的答案是一份长长的备忘录，上面写满了参考文献和方程，看起来就跟《Nature》上的论文差不多。诺兰的视觉效果团队基于这些公式写了新的渲染软件，然后将虫洞制作了出来，效果令人惊叹不已—这个虫洞就像是魔法师手里的水晶球，映射着大千宇宙的奇妙景象。

当索恩谈到他最喜欢的天体物理学内容（比如黑洞的碰撞，时间的弯曲）时，会运用大量的类比（如比作两个龙卷风相遇，或者将光线的弯曲比作风中的稻草）。但是这些类比还是有点抽象了，直到《星际穿越》的诞生，绝大多数观众才发现虫洞、黑洞、扭曲的光线是如此壮丽瑰奇。

百年追寻

引力波的存在，早在1916年便已经由爱因斯坦预言，当时爱因斯坦证明了加速下的大质量物体将会扭曲时空，并产生从该源头发出的时空涟漪。这种“涟漪”将以光速穿过宇宙，携带着关于产生它们的那次灾难性事件和引力本质的珍贵信息。

1936年，爱因斯坦寫了一篇论文说引力波并不存在，当时这篇论文已经投给了《物理评论》，然而进行评议的数学家、普林斯顿大学物理学教授霍华德·P·罗伯森发现了其中一些错误，于是文章被杂志退了回来。

爱因斯坦对自己的文章竟被拿去评议感到十分愤怒，准备把它发表到《富兰克林研究所杂志》，这个杂志马上就接受了，准备原文照发。这时候罗伯森教授找到爱因斯坦的助手，跟他说爱因斯坦那篇论文是错误的，要他去说服爱因斯坦。爱因斯坦最终被说服了，急忙给《富兰克林研究所杂志》写信要求暂缓发表论文，随后寄去了修改过的论文，论文的结论变成了“引力波是存在的”。在论文注释中，爱因斯坦感谢了罗伯森教授的指正。

1969年，马里兰大学帕克分校的物理学家约瑟夫·韦伯发明了“韦伯棒”：一个大约2米长和1米直径的铝合金圆筒，当被引力波击中时，它就“响了” 。当然，实际的情形可要复杂得多，“韦伯棒”往往探测到的是各种噪音。

虽然物理学家们普遍不看好引力波探测（因为引力波非常微弱），但因为韦伯几乎是当时仅有的行动者，他还是引起了人们的一些兴趣，基普·索恩也是这时候加入引力波探测的队伍的。据说在整个20世纪60年代，广义相对论会议上一句常用的问候就是：韦伯探测到引力波了吗？

可惜的是，引力波一直未能在实验上直接被检测到。反而是对脉冲双星PSR B1913+16的研究，间接地证明了引力波的存在。美国人约瑟夫·泰勒和拉塞尔·赫尔斯于1974年发现了PSR B1913+16（他们也因此获得了1993年诺贝尔物理学奖）。这个双星系统公转周期的逐步减少，与能量的消失有关，而消失的能量转化成了引力波。endprint

1984年，加利福尼亚理工学院的物理学家基普·索恩和朗纳·德瑞福，与麻省理工学院的莱纳·魏斯在激烈竞争之后，提交了联合设计、使用“激光干涉测量技术”的探测器寻找引力波的计划。美国国家科学基金会（NSF）在1990年批准了LIGO的建设，并在1992年为实验的双探测器选择了两个地点：华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的利文斯顿。这两个设施于1999年完成，并于2001年开始收集数据。2010年，探测器关闭升级，这期间没有发现任何引力波的迹象。

在2010年与2015年之间，LIGO经历了大幅度改良，升级后的探测器被称为“aLIGO”，于2015年再次开启运作。2016年2月11日，LIGO科学团队宣布，人类首次直接探测到引力波，所探测到的引力波源自双黑洞合并，两个黑洞分别估计为29及36倍太阳质量。同年6月15日，LIGO又表示，第二次直接探测到引力波。今年8月17日，LIGO第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波信号。这些探测结果，更加证实了广义相对论的正确。

了不起的引力波

LIGO的行动，正在重构人们对黑洞理解的基础。让我们想象如下的场景：大约30亿年前，地球还是一个充满原始大陆的海洋世界，唯一的居民就是单细胞生物。这时，一对黑洞开始了旋转舞蹈，并在一个非常非常遥远的地方相撞，留下一个比太阳还要重50倍的黑洞，没有光线逃逸出来。事情本来会消失在无垠的太空，但是，它们产生的引力波正以光速向外传播，并在近期光临了地球，进入最先进的引力波探测仪—LIGO之中。

引力波经过遥远的观测者时，观测者会发现时空被弯曲了。两个自由物体之间的距离会有节奏地波动，频率与引力波相同。在这一过程中，这两个自由物体并没有受力，座标位置也没有变化；改变的，是时空座标本身的距离。根据这一特性，科学家把它作为LIGO探测的原理。

两个LIGO探测器的形状，都像一个巨大的字母“L”，由两个2.5英里长的真空管道构成。在“L”的结合处，有激光器和光电仪，“L”的两臂上则挂满了镜子。当引力波的第一个波峰从屋顶或地板进入实验室时，潮汐力将沿“L”的一臂把两个物体分开，而沿另外一臂把两个物体拉近。第一臂的长度L1将增大，第二臂的长度L2将减小；当波谷到来时，结果正好相反。通过测量臂长差L1-L2，就能发现引力波的足迹。

镜子的意义在于，让一束激光照在结合处的光束分离器上，让光束的一半被反射，一半透过镜面，这样这束光就被分成了两束，分别到达L两臂上的端点，再由端点的镜子反射回光束分离器。如果没有引力波，来自两臂的光都会回到激光器，如果引力波改变了L1-L2，那么就会有少量的光进入光电仪。

对于观测者和科学家来说，LIGO的测量和计算实际非常简单，掌握了一些基本物理知识的人就可以搞定。看到这里人们不免要问，把诺贝尔奖颁给“引力波”，意义到底在哪里？

这就要回到人类观测宇宙的历史了：在射电天文学和X射线天文学来临前的30年代，我们的宇宙知识几乎全部来自光。光让我们看到的是一个安宁静寂的宇宙，充满了耀眼的恒星和在轨道上平稳运行的行星。它们默默地发着光，过数百万或者数十亿年才会发现它们的变化。

上世纪50-70年代的射电波和X射线的观测，打破了这种平静的宇宙观，让我们看到了一个剧烈活动的宇宙：从星系核喷射出气流，类星体闪耀着比银河系还亮的光，脉冲星射出以光速旋转的强烈辐射束……光学望远镜看到的是太阳、行星和少数邻近的宁静恒星，射电望远镜看到的最亮天体是遥远星系中心的猛烈爆炸。

这就有点像一位公安侦察人员，如果架起一台高倍望远镜，那么看到的是嫌犯的表情、动作；如果在犯罪嫌疑人家里装上窃听器，听到的就是嫌犯的声音、对话。与射电波和X射线相比，引力波将给我们的宇宙认识带来更大的革命。

产生引力波最强烈的场景，往往是时空曲率的大尺度相干振荡（比如两个黑洞的碰撞和结合）以及大量物质大规模的相干运动（比如相互围绕的两个中子星的螺旋式碰撞和结合），所以引力波向我们展现的都是宏观上的大曲率、大质量的运动。而且，像宇宙的大爆炸起源、黑洞的碰撞、超新星爆发中心产生新生中子星、并發出大量脉冲的这些场域，周围都笼罩着厚厚的、能吸收电磁波的物质层，但又由于这一类事件往往具有强引力的特征，使得引力波的探测成为可能。

因此，引力波带来的，是一个“听觉”上的宇宙，那里有大爆炸、大振荡和大冲撞，这是以往的探测手段所发现不了的。引力波必将改变我们对宇宙的看法。理论物理学家、亚利桑那州立大学的劳伦斯·克劳斯，将LIGO的探测与望远镜的发明相比较。“这肯定会获得诺贝尔奖，”他在今年9月就信心十足地预测，“更重要的是，它们为我们看待宇宙打开了一扇新窗。”endprint