捕捉时空涟漪
——走近诺贝尔奖(十九)
我们都知道，地球围绕太阳公转，这是因为太阳对地球有引力作用。然而，地球距离太阳约1．5亿千米，那么，太阳是如何把引力传递给地球的呢?
宇宙中的任何物体，大到天体、小至尘埃，相互之间都存在引力。然而，物体之间的引力是如何传播的？爱因斯坦认为，引力像水波一样不断向外扩散，这就是引力波。在爱因斯坦提出引力波概念将近100年的时间里，科学家未能真正探测到引力波。直到2015年，这个科学之谜才被激光干涉引力波天文台（简称LIGO）揭晓。对探测引力波做出重要贡献的三位科学家雷纳·韦斯、巴里·巴里什、基普·索恩，因此获得2017年诺贝尔物理学奖。
引力传递需要时间吗
我们知道，宇宙中有最基本的四种力：引力、电磁力、弱核力、强核力。一切关于物质的物理现象，在物理学中都可借助这四种基本相互作用的机制来进行描述和解释。
在四种基本力中，引力是最早被发现的。英国物理学家牛顿因被苹果砸头而提出“万有引力”的故事已经家喻户晓了。无论牛顿是不是因为这个事件顿悟到万有引力，牛顿发现万有引力都是科学界公认的事实。1687年，牛顿正式公布“万有引力定律”。这个定律表明：任何物体之间都有相互吸引力，这个力的大小与各个物体的质量成正比，而与它们之间的距离的平方成反比。
万有引力定律解释了当时人们比较困惑的一些现象，比如：月球为何围绕地球转？地球为何围绕太阳转？为什么向上抛出的物体还是会落向地面？万有引力定律只提到两物体相互直接作用于对方的引力，并未解释引力传递过程，而且这条定律与时间无关，意味着引力是瞬时、直接的超距作用。
蜡烛点燃，屋子里全亮了：太阳出来，天地之间就明亮了。因此，人们曾经认为，光的传播是不需要时间的。同理，许多近代科学家也曾认为，引力的传播也是不需要时间的。令人矛盾和尴尬的是，虽然牛顿的引力定律间接支持了超距作用的观点，但是牛顿本人并不认为引力可以不借助媒介而瞬间产生。
牛顿在给朋友的一封信中曾写道：“很难想象没有别种无形的媒介，无生命感觉的物质可以无须相互接触而对其他物质起作用和产生影响。”牛顿曾经以太空中存在“稀薄的以太”“以太精气的连续凝聚”等观念来解释引力的传播过程。可是当一个精密实验证明了太空里并不存在“以太”的时候，牛顿力学面临的困难就更大了。
爱因斯坦1905年创立的狭义相对论指出，任何信号的传递不可能超过光速。既然万有引力也是一种信号，它的传递不可能不花时间。按照狭义相对论，万有引力的传播需要时间，但它的传播速度不会超过光速。爱因斯坦曾在一篇文章中写道：“牛顿啊！请原谅我，你发现了你那个时代所能发现的唯一的路……但是我们知道，如果想达到更深刻的理解，这些概念需被远非人类能体验的其他内容所替代。”
引力是如何传播的
虽然牛顿给出了万有引力的计算公式，但是他始终没有弄明白物体之间的引力是如何传播的。爱因斯坦对此有一套十分深奥且科学的解释，其中有大量是普通人看不懂的数学公式。不过，爱因斯坦给了人们一个通俗易懂的解释。
爱因斯坦认为：时间和空间是一体的，总称为时空。他用水波打比方来解释引力在时空中的传播原理。向平静的水面扔一个石子，立即荡起一圈圈涟漪，它们以石子落水点为中心，不断向外扩散，而且波的力度越来越小。同样，宇宙就像是无边无际的时空海洋，可被划分为一片片时空界面，如果向这个时空的某个界面上放置一个天体，它就会压迫这片时空，造成时空弯曲，然后产生时空涟漪，不断向外扩散，给予其他天体以引力。
1915年，爱因斯坦将引力纳入相对论的框架，创立广义相对论。他指出：万有引力的本质就是时空弯曲，时空弯曲决定天体的运动规律。物质的质量使四维时空弯曲，弯曲的时空又影响其中物体的运动，使其运动轨迹成为曲线而非直线。美国物理学家约翰·惠勒曾说：“物质告诉时空如何弯曲，弯曲的时空告诉物质如何运动。”牛顿的万有引力定律揭示了引力与万物的关系，而爱因斯坦的广义相对论则将引力与四维时空的弯曲性质联系在一起。爱因斯坦还指出，引力波以和光波同样的速度向外传播。
为了让人们进一步了解时空弯曲和引力之间的关系，科学家还和艺术家合作，用网和球的图片来展示引力的成因。设想一下，一张弹性网上突然掉下一个很重的大铁球，铁球不仅使网的形状大大改变，而且还将引起弹性网的大震荡，铁球引起的震荡将传播到网格的四面八方。弯曲时空中的这种涟漪，便是物理学家企图探测的引力波。
当然，就如同石子触及水面才会产生水波一样，在时空网络中有变化的天体才会产生引力波，这种变化包括天体的自转、膨胀、收缩、碰撞与合并。石子完全没入水中之后，它对水面的压力就消失了，所以水面很快又恢复了平静。时空涟漪毕竟不是水波，它是随着天体的诞生一直存在着，因为尚未发现某个天体是完全静止的，它的自转以及其他运动都会对时空带来弯曲而引发涟漪。
如何探测引力波
引力是很明显的事实，也非常好测量。比如，地球对某人的引力体重可以用秤来测量。假如一个人体重是50千克，我们就可以根据重力公式，计算出地球对这个人的引力大约是490牛。虽然引力是四种基本力中最先被发现的，引力比较容易测量和计算，但是对传播引力的引力波的证实却是最晚的。这说明引力波的探测对物理学家来说是很艰难的任务。
根据爱因斯坦的相对论，引力波是可以探测的。然而，由于引力波携带的能量很小，强度很弱，物质对引力波的吸收效率又极低，所以一般物体产生的引力波不可能在实验室被直接探测到。举例来说，太阳和地球之间的引力波功率只有200瓦，就相当于在一亿多千米外放置一盏200瓦的灯泡。要在地球上探测到灯泡发射到太空中的能量，那种难度真是超出想象。
早期，由于测量手段的限制，科学家只能通过其他途径间接证明引力波的存在。1974年，美国物理学家拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒发现，引力波导致一个中子星和与之互相环绕的伴星之间的距离越来越小，他们因此获1993年诺贝尔物理学奖。
虽然探测引力波很难，但是也并非完全不可能。那么，究竟如何探测呢？科学家巧妙地利用LIGO对引力波进行放大。LIGO由两个激光干涉仪组成，分别位于美国华盛顿州和路易斯安那州，两个装置相距3000千米。每个干涉仪成L形，都带有两个臂，每个臂长4000米，由1.2米粗的真空钢管组成。
引力波振幅的数量级在10-21以下，只有氢原子直径的一千亿分之一大小。目前，最精密探测器都不可能测量这么小的长度。而LIGO之所以能测量到引力波，是因为LIGO能通过激光干涉把引力波的这个振幅进行放大。按照相关的科学理论，激光在LIGO里跑多少米，就能将引力波的振幅放大多少倍。结果，激光在4000米的真空钢管内来回跑了400次，就相当于产生了一个160万米的激光臂，也就能将引力波的振幅放大160万倍。
2016年2月11日，激光干涉引力波天文台（LIGO）的科学家们在美国华盛顿召开了新闻发布会，向全世界宣布他们首次直接探测到了引力波。根据他们的报告，2015年9月14日，LIGO测到干涉仪的臂产生了10-18米的微小长度差。经过进一步的研究，科学家发现这个强力引力波来自13亿光年外两个黑洞的碰撞，一个黑洞有36倍太阳质量，另外一个黑洞有29倍太阳质量，最终合并为62倍太阳质量。中间为何差了3倍太阳质量呢？这3倍太阳质量正好转化为了引力波的能量。正因为有如此巨大的能量辐射，才使离此黑洞13亿光年之遥的科学家能探测到引力波。
我们都知道，科学测量难以完全避免误差。尽管科学发展到今天，精密测量的精度越来越高，但是我们还是不能完全排除偶然因素引发的误差。这就是为何LIGO要在遥远的兩地各设一个探测装置的原因。两地相距3000多千米，就可以通过超级计算机比对两者采集到的数据，并通过算法来排除许多干扰信息。同时能影响到相隔这么远的两地的波动信号，必然来自太空，这样把地面人为的信号都去除掉，再筛选起来就容易多了。在2015年9月14目的探测中，两个站点探测到的结果一模一样，这就说明不会有来自地面的影响因素导致测量发生误差。
为什么科学家不探测距离我们较近的天体的引力波，而是要探测13亿光年外黑洞发出的引力波呢？这是因为普通物体甚至太阳系产生的引力波都难以探测，科学家便把目光转向浩渺的宇宙。宇宙中存在质量巨大又非常密集的天体，如黑矮星、中子星，或许还有夸克星等。超新星爆发、黑洞碰撞等事件会产生强大的引力波。此外，在大爆炸的初期，暴涨阶段也可能辐射强大的引力波。
成功探测引力波是团队合作的结果，很多科学家为LIGO的成功做出了贡献，在相关论文上署名的就有几百人，长长地排满了几页。但按照惯例，诺贝尔奖除了和平奖多次颁发给团队外，其他奖项只颁发给个人，而且每个单项奖的获奖者每次最多三人，因此，韦斯、索恩和巴里什三人最终获奖。当然，他们在团队中的重要性也是毋庸置疑的：韦斯最早发明激光干涉引力波探测器，首次分析了探测器的主要噪声来源，并领导了LIGO仪器科学的研究，最终使LIGO相关设备达到了足够的灵敏度;巴里什于1997-2006年担任LIGO项目主管，领导了LIGO建设及初期运行，建立了LIGO国际科学合作，把LIGO从几个研究小组从事的小科学成功地转化成了涉及众多成员并且依赖大规模设备的大科学，最终使引力波探测成为可能;索恩奠定了引力波探测的理论基础，他开创厂引力波波形计算以及数据分析的研究方向，并对LIGO项目做出了重要贡献，是LIGO项目的主要创始人之一。
为何要探测引力波
LIGO项目从20世纪80年代由麻省理工学院和加州理工学院共同提出，并在1992年得到美国国家科学基金会（NSF）的资金支持。在前后40年的时间里，投入了6.2亿美元进行研究。2014年，我国科学家罗俊院士团队己提出自主的空间引力波探测计划“天琴计划”。该方案是在10万千米高度的地球轨道上，部署三颗全同绕地卫星组成臂长17万千米的等边三角形编队，建成空间引力波科学探测系统。“天琴计划”预计总投资约为150亿元，耗时20年。花这么多钱用于探测来自遥远太空天体的引力波信号，不禁会让人产生疑问：这值得吗？
当然值得，不然诺贝尔奖也不会两次把物理学奖颁发给引力波的相关研究者。从理论上来说，引力波探测验证了爱因斯坦的广义相对论，为人们探索宇宙奥秘开启了一扇新窗口。以前的天文学基本上都是使用包括可见光在内的电磁波作为探测手段，而现在观测到了引力波，便多了一种探测方法，也许由此能开启一门引力波天文学。这意味着科学家可以通过引力波来进一步探测和理解宇宙中的物理演化过程，为恒星、星系，乃至宇宙自身现有的演化模型提供新的证据，提供一个更牢靠的基础。
尤其是在对黑洞的探测过程中，以往缺乏比较直接可靠的手段，而引力波探测技术的不断成熟和完善，将有利于科学家了解黑洞的形成原理和演化机制。对黑洞的上述的深入研究，也很可能促成量子理论与引力理论的统一，对基础物理学的研究具有里程碑的意义。
引力波对黑洞的探测成果不断。2018年12月3日，LIGO团队的科学家宣布，他们根据LIGO的观测数据，发现了4起黑洞合并事件产生的引力波。其中发生在2017年7月29日的是迄今探测到的最大黑洞合并事件，发生地距地球约90亿光年。在所有观察到的黑洞合并事件中，此次的黑洞旋转速度最快，距离地球也最远，最终形成了80倍太阳质量的黑洞。另外3起黑洞合并事件发生于2017年8月9-23日期间，与地球的距离为30亿～60亿光年，产生黑洞的质量为太阳的56～66倍。
2017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。全球约70个地面及空间望远镜从红外、x射线、紫外和射电波等波段开展观测，确认引力波信号来自距地球约1.3亿光年的长蛇座内NGC 4993星系。这是人类历史上第一次使用引力波天文台和电磁波望远镜同时观测到同一个天体物理事件，标志着以多种观测方式为特点的“多信使”天文学进入一个新时代。
从现实来说，引力波探测将为未来人类的星际航行打下坚实的基础，未来的星际航行可能得依靠引力波來提供坐标并导航，由此找到那些适合人类拓艮居住的外星家园，还有那些蕴含着无穷宝藏的海量天体。（责任编辑 张虹）
获奖者简介
雷纳·韦斯（Rainer Weiss），美国物理学家。1932年出生于德国，1962年从美国麻省理工学院获得博士学位，1966年首次设想出一种探测引力波的方法。现为麻省理工学院物理学教授。
巴里·巴里什（Barry Barish），美国物理学家。1936年1月27日出生于美国，1957年获得物理学学士，1962年获得美国加州大学伯克利分校的实验高能物理的博士学位，1963年加入美国加州理工学院，1997-2006年担任LIGO项目主管。
基普·索恩（Kip Thorne），美国物理学家。1940年6月1日出生于美国，1962年获得美国加州理工学院的学士学位，1965年获得美国普林斯顿大学的博士学位，自1991年起担任加州理工学院费曼理论物理学教授至今。他开创了引力波波形计算以及数据分析的研究方向，并对LIGO项目做出了重要贡献。
作者：杨先碧
