引力波：探索宇宙奥秘的新窗口

符长波

2017年10月3日，瑞典皇家科学院宣布授予Rainer Weiss，Barry C. Barish和Kip S. Thorne 2017年度诺贝尔物理学奖，以表彰他们在“LIGO探测器和引力波观测中的决定性贡献”。Rainer Weiss出生在德国，现为美国麻省理工学院（MIT）物理学教授。Barry C.Barish和Kip S. Thorne现为美国加州理工学院物理学教授。

1 时空自身的“地震”

100多年前，爱因斯坦创立的狭义和广义相对论，彻底地改变了人类对时空的认识：时间和空间不再是过去认为的那样是分离的两个对象，也不再静止不变，而是其自身也可以运动起来，表现出时空弯曲和引力波等种种现象。

描述运动，需要时空这个框架，即时空是物质运动的舞台。而引力波可以说是时空舞台本身的运动。日常大家可能看到过这样的场面，两个花样滑冰运动员在冰面上绕彼此旋转，随着彼此靠的越来越近，由于体系角动量守恒的缘故，他们的旋转速度会越来越大。假若他们不是站在结实的冰面上，而是在橡皮膜上做上述动作，情况会怎么样呢？橡皮膜会由于二者的体重而塌陷，改变其形状。二人绕彼此旋转时，也会同时带动橡皮膜本身震动，而这种震动会以波的形式传播到远方，被远方橡皮膜上的比如一只小蚂蚁感受到。在现实的宇宙中，如果大块头的运动员，比如中子星或黑洞，在运动时，时空这个舞台不再是那么刚性，而是如橡皮膜一样被扭曲，引起时空的“地震”。如果“地震”足够大，且离地球足够的近，我们人类小蚂蚁就有望感知到这种震动。

但是，通常情况下，一方面发生这种大的“地震”的概率很小；另一方面，震源离地球非常远，使得这种“地震”的幅度异乎寻常的小，使得地球上探测引力波非常困难。假若两个约30倍太阳质量的黑洞互相旋绕，彼此距离350 km。开始时二者以每秒转75圈，随后二者会螺旋式地越转越近，而且越近转得越快，并最终合并为一体。这个质量庞大，速度是与光速比拟的巨无霸，对时空舞台的扰动，在事发地看来，无疑是非常巨大的。但如果传到10亿光年外的地球，它的影响就微乎其微了，它所引起的太阳到地球之间距离的变化，仅仅有约一个原子直径大小。

2 理论到实验发现的百年历程

不知对人类来说是幸运还是不幸运，这种“时空地震”引力波是如此的微弱和稀有，以至于人类花了半个多世纪才得以目睹引力波真容。

探测引力波的尝试，始于20世纪60年代。美国物理学家约瑟夫-韦伯（Joseph Weber）利用类似音叉的原理，来测量金属铝圆柱体和引力波特定频率的共振。他声称观测到了引力波。可是由于他的实验没能被其他物理学家重复，且数据分析存在缺陷，因此其结果不为大多数科学家认可。1962年，苏联的科学家Gertsenshtein和Pustovoit提出，利用激光干涉仪探测引力波。随后几十年里，这个实验方案一直沿用和发展。1967年，MIT的物理学家Rainer Weiss，造出了第一个1 m长的引力波激光干涉仪原型（https://www.ligo.caltech.edu/system/media_files/binaries/313/original/LIGO History.pdf），并在其后的工作中，确立了各种降低实验噪声的技术路线，包括地震、热噪声、引力梯度、真空热梯度、地磁等。Weiss的开创性工作，为他赢得了2017年诺贝尔物理学奖。此外，这一时期加州理工学院（Caltech）的Kip Thorne也开始对引力波进行了深入的理论探索，包括预言各种引力波源的信号以及如何分析其实验信号。这些研究表明引力波的探测是可行的，给后续引力波实验增加了信心，Kip Thorne也因此被授予2017年的诺贝尔物理学奖。

进入20世纪80年代，MIT研究组在美国自然科学基金会（NSF）的资助下，开始研究千米级长度的引力波干涉仪的可能性。研究蓝皮书（https://dcc.ligo.org/public/0028/T830001/000/NSF_bluebook_1983.pdf）表明千米级探测器实践上是可行的，能达到所需精度，同时也建议建造相距几千km的两个5 km长的干涉仪。加州理工学院随后也建立了40 m长的原型机。1984年，LIGO（laser interferometer gravitational wave observatory）项目筹建工作正式开始。经过多年反复的申请、被拒、再申请、再被拒的过程，终于在1991年得到了NSF的资助，正式开始了LIGO建设。LIGO一共有两个探测器，相距3002 km，分别位于美国路易斯安那州和华盛顿州。1994年，Barry C. Barish出任主任，其出色的领导工作为他赢得了2017年的诺贝尔物理学奖。然而第一代的LIGO建成后并未探测到引力波信号，因此于2008年又开始了升级计划，即Advanced LIGO，并于2015年完成了升级改造，探测灵敏度提高了10倍。与LIGO同时期建造的引力波探测器还有VIRGO，它位于意大利比萨市，1996年开始建造，并于2003完成并运行，2016年完成升级到第二代（Adv-VIRGO），使得灵敏度提高了约一个量级。

在LIGO升级后的第一次科学运行时，也就是2015年9月，幸运之神就降落了，它发现了人类历史上第一例被直接探测到的引力波事件。紧接着在2015年12月又探测到了第二例信号。又过了约一年，2017年1月4日，测到了第三例信号，并且这次是LIGO的两个探测器同时探测到了信号。2017年8月4日，引力波再次光临地球，这次不但被两台LIGO记录到，也同时被位于意大利的VIRGO探测器记录，这是人类记录到的第4次引力波事件。LIGO和VIRGO探测器的配合，实现了引力波探测器观测的网络化——尽管是小规模的网络化，对引力波的来源方位定位也更加精准。

2017年8月17日，LIGOVIRGO组合又观测到了中子星合并的引力波事件。在LIGO-VIRGO给出引力波“警报”后，全球数十台天文望远镜，包括中国的“慧眼”X射线卫星，也开始在不同波段寻找并记录对应的电磁信号。这是人类观测到的第5次引力波信号，第一次中子星合并引力波信号，第一次实现引力波和电磁波信号的同时观测。

也许对于第一二次引力波信号，一些科学家对其真实性仍心存疑虑，毕竟引力波信号实在太小了，但第三四五次信号，彻底证明：引力波，经过百年的期盼，长达半个世纪的努力，确确实实地被捕捉到了！从1916年爱因斯坦正式发表广义相对论到2015年观测到引力波，这个历时百年的探索成功来之不易，包含着无数人的辛勤汗水。仅就LIGO项目来说，就有来自20多个国家的千余一流科学家。从第一个探测原型样机到现在已经超过50年了。

3 引力波探测的关键性技术

引力波探测仪是放大版的迈克尔逊干涉仪，主要由两个互相垂直的长达数千米的臂、穿梭于两臂的激光和反光镜构成。引力波到来时，会引起两臂长度细微变化。但由于变化实在是太小了，如何提高灵敏度，排除各种噪声信号是关键。

其中外部噪声包括如微地震、周围汽车乃至人走路引起的振动等。对于外部噪声采用多级减震的方式。首先是进行主动减震：实验仪器平台并不直接放在地面，而是放在一个可移动的平台上。当检测到实验室地面移动时，实验平台会被驱动向相反的方向移动，从而补偿了来自地面的移动。除此之外，还要采取悬挂式被动减震。被动减震类似于：手中拿一根线，下端悬挂一重物，当手移动缓慢时，重物会跟着手移动；但如果手来回晃动频率较高时，重物的移动幅度会大大小于手移动的幅度，从而实现被动减震的目的。干涉仪的镜子用0.4 mm的石英玻璃线，一级级地悬挂在前一级的架子上。这样的悬挂一共有4级，通过多级隔离达到减震目的。

实验仪器内部也有很多地方带来噪声，比如：空气对激光的散射、激光光压等。因此，激光的路径上必须抽成超高真空，以减少空气散射带来的噪声。当激光打到反射镜面上时，会对镜面产生压力（即光压），光压会引起镜面的微小震动，这也是重要的噪声来源。对于这个噪声来源，也采取了主动消除的办法。其原理就是常见的阻尼震荡。给镜子施加一个阻尼力，即与其速度成正比、方向相反的力。当调整至临界阻尼时，镜子的震动会很好地消除，保持平衡状态。镜子的震动如果用热学温度概念描述的话，仅有等效于1.4 μK。

除此之外，还有很多其他技术，用于提高探测灵敏度、降低噪声。如光复用技术，即让光在悬臂之间来回运动多次，这样增加了等效运动距离，减少了驱动激光的总功率。用纯度非常高的石英玻璃做光学器件，以保障高的透光率；器件加工精度非常高，误差都控制在几个原子厚度。尽管LIGO等可以探测到小到不可思议的距离变化。但细究其中的技术细节，却可以甚至用老技术来形容。但是，就是因为把为数众多的老技术都做到了极致，从而实现了对不可思议的微小位移的探测。

4 人类认识宇宙的新机遇

引力波观测的实现，无疑是人类认识自然的里程碑事件。人类从史前开始，就对浩瀚的宇宙有与生俱来的好奇与敬畏。但人类至今还迈不出太阳系，只能靠光子、宇宙射线粒子等信使来认识宇宙。长久以来，可见光范围的光子是宇宙传递到地球的唯一信使，直到近代才扩展到X光、伽马光的范围。另外宇宙射线粒子，包括电子、质子和其对应反物质，乃至中微子都在近代得到了发展。而引力波，为人类打开一个全新的认识宇宙之窗。也正是因为如此，引力波探测很快地被授予诺贝尔物理学奖。正如诺贝尔奖委员会在其物理学奖颁奖新闻中所说：“各种电磁辐射、宇宙射线和中微子等，已经被用于宇宙探测。但是，引力波是对时空扭曲扰动的直接证明。它是一个全新的、完全不同的东西，为我们打开了未知的世界。如果谁能在后续捕获并解释引力波，那么等待他的将是大量的全新发现”。

事实上，国际上除了在运行的LIGO和VIRGO引力波探测器外，还有大量其他在建或计划中的引力波探测项目，包括：日本的KAGRA，美国和印度的LIGO-印度，欧洲的爱因斯坦望远镜，激光干涉太空天线（LISA），以及中国的天琴计划、太极计划和阿里计划等。这些新的引力波探测项目，必将为人类展示更为清晰的宇宙画卷！■