世紀重大發現:引力波與愛因斯坦的完美擁抱

　　背景簡介： 

　　最近，美國科學家宣稱，位於華盛頓州和路易斯安那州的雷射幹涉引力波天文臺(簡稱LIGO)已成功探測到引力波。消息一經傳出，全球科學界立即引起了轟動，這是世紀性的、革命性的、振奮人心的重大發現，可以類比百年前的人類發現電磁波。這意味著，人類科學研究從電磁波時代進入引力波時代，我們將從全新的探測窗口傾聽宇宙的「歌唱」。電磁波的應用與開發產生了無線電通訊，這徹底改變了人類交流與溝通方式，進一步引發今天的信息革命時代來臨。一旦未來的引力波通訊技術開發成功，可能引導人類進行跨越星際的交流，幫助人類走出地球這一生命的搖籃、向宇宙的深度進軍。

　　1.LIGO如何探測到引力波？ 

　　雷射幹涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory -- LIGO）是美國建設的大型雷射幹涉儀，由加州理工學院和麻省理工學院負責運行，分別坐落在美國北部的華盛頓州和南部的路易斯安那州，南北距離約2000多公裡；幹涉儀臂長3公裡和4公裡、呈垂直布置。一旦引力波闖入地球，引發時空震蕩，造成幹涉臂距離變動，這將讓幹涉儀的幹涉條紋變化，依此確定引力波強度。

　　據推算，本次宣布的引力波直接探測，其信號來自距離地球13億光年的雙黑洞的合併事件，持續時間約200毫秒，振蕩頻率30--150赫茲。兩個互相纏繞運動的黑洞質量大約相當於30個太陽，它們在最終的毀滅性的碰撞合併時發出引力波爆發，此發現事件的探測時間是2015年9月14日（探測編號GW150914）。

　　2.什麼是引力波？ 

　　愛因斯坦的廣義相對論（GR）在1915年提出、於1916年發表，這是關於引力場中物質運動的規律描述，而引力場是控制宇宙萬物的四個基本相互作用之一，有物質就產生引力場。諸如，地球上的蘋果為什麼下落？為什麼月球圍繞地球、地球圍繞太陽運動？這些就是萬有引力現象的案例。牛頓引力定律只是低速度描述引力場的近似，而愛因斯坦給出更加完美的普適方程，並獲得大量實驗驗證支持；牛頓引力理論無法給出引力波的概念，因為其方程不能提供輻射的解。類比電磁波，有助我們概念的簡化、生動理解引力波的含義。GR的引力場方程可以獲得如同電磁場一樣的傳播解，其時空波動的傳播速度是光速，依此愛因斯坦預言了引力波的存在。

  

　　簡單而形象比喻，電磁波是電磁能量的空間傳播，而引力波是時空引力能量的傳播。不同於電磁波，引力波是物質能量劇烈加速變化引起時空形變的傳播；電磁波的源泉則是電場和磁場的震蕩傳播。但是兩者的傳播速度是一樣的，都是光速，即每秒30萬公裡（比較地球月球距離38萬公裡）。此外，引力波的震蕩模式（偏振）與電磁波稍有不同。  

　　3.引力波如何產生？為什麼引力波的探測那麼難？ 

　　引力波發生在一個巨大的天體突然加速運動，就像當恆星的超新星爆發時、或者當兩個巨大的星體發生碰撞、或者兩個緻密星體合併，諸如中子星與黑洞這類星體的碰撞與合併。由於距離遙遠，引力波能量到達地球時的信號非常微弱。現在LIGO探測器檢測的精度相當於，在北京觀測上海的原子運動，其難度可想而知。近100年來，全球科學家一直翹首以待這一宇宙物質的波動光顧地球。然而，尋找世間微弱的奇蹟，談何容易，各種大型引力波探測器在世界各地建設，美國引力波雷射幹涉儀LIGO堪稱之最。引力波能量微弱的原因可以類比電子與質子的相互作用，兩者的電力作用相當於其引力作用的10億倍，所以依此設想的引力波能量微弱。雖然引力波在宇宙到處存在，但是其微弱的能量使得我們難於探測到。

　　4.引力波的探測主要有哪些方法？

　　由於引力波爆發引起時空震蕩，使得物體產生微小抖動，所以引力波觸發微小時空變化。諸如，黑洞合併時釋放出巨大引力波能量，地球的引力波雷射幹涉儀LIGO的幹涉臂被引發微小的震動；雙中子星系統的纏繞運動將釋放引力波，其軌道尺度變小；脈衝星陣列的監測可以反映引力波穿過時的漂移；引力波損失動量可以導致脈衝星轉動速度飽和，等等。對於上述現象的觀測和監測，讓我們判斷引力波的存在證據。1974年，美國天文學家赫爾斯和泰勒，利用阿雷西博305米口徑射電望遠鏡，觀測到雙中子星系統的軌道收縮，雖然每年3釐米的軌道變化，這與愛因斯坦的預言一致。由於他們間接證實引力波存在，於1993年兩人獲得諾貝爾物理學獎。在引力波尋覓的徵途上，歐洲、日本和澳大利亞也不甘落後，他們相繼建設各自的探測器，苦苦等待引力波投來激動的漣漪。依據愛因斯坦理論推算，在幾千光年距離遠的黑洞或中子星合併事件，其引力波強度可以被LIGO測到。 

　　5.本次引力波發現的可信度有多少？ 

　　本次宣稱的引力波發現，是南北距離兩千多公裡的兩個雷射幹涉儀的同步探測結果，但是本人對此有90%以上的可信度。那麼，10%的疑慮是什麼？其一，在美國LIGO獲得引力波信號時，歐洲引力波設備VIRGO沒有反應，缺少相應的佐證信息；其二，引力波信號出現時，多個衛星探測器在空間工作，也沒有發現宇宙深處的Gamma射線爆發、X-射線爆發；而地面光學與射電望遠鏡也沒有發現超新星爆發和射電爆發事件。當然，LIGO可以如此反駁說，雙黑洞外圍沒有大量吸積物質運動，其碰撞合併不會產生足夠多的電磁能量爆發。目前，LIGO的引力波發現還沒有外部佐證事件，這可能被詬病為孤立的「自證」發現事件。LIGO需要進一步等待新的引力波信號到來，再次證實其發現的可靠性。就此，我們回顧一下歷史上的引力波事件。1979年，美國馬裡蘭大學物理學家宣稱發現引力波，一時間轟動世界，但是之後的質疑聲音不斷。當時探測引力波使用了鋁錠探測器，其靈敏度較低，現在看來那時很難探測到微弱的引力波信號。兩年前，也曾有人宣稱發現了宇宙引力波，可是後來經過仔細審查，發現其誤差超過了預期。因此，我們還需要LIGO等待未來的再次引力波信號到達，如此才能打消我們的疑慮。

　　6.LIGO探測到引力波的意義何在？ 

　　引力波的發現將是物理學100年來最大的突破之一。到此，愛因斯坦全部預言獲得驗證，這為廣義相對論GR畫上完美句號。引力波曾經間接被發現，但是直接探測這還是首次。正如美國科學家所言，引力波的證實是GR的最後一個「拼圖」，GR的其它幾大驗證早就被實驗所證明，包括：水星近日點進動、光線在引力場偏折、引力紅移、雷達回波時間延遲、黑洞、自旋進動。 

　　電磁波動的宇宙背景在1960年代發現，引力波在時空背景波動的發現，將深化我們對宇宙的了解，科學研究進入引力波天文學時代。引力波的發現好比百年前的電磁波發現，這將是世紀重大發現事件，將深遠影響人類未來。回想一百多年前，英國科學家法拉第和麥克斯韋提出和創立電磁理論，預言電磁波的存在。電磁波是電磁偶極子器件震蕩，導致電磁場在空間以光速傳播。德國科學家赫茲首先實現和證實電磁波的發射接收，其後義大利科學家馬可尼發明無線電報，美國科學家莫爾斯發展了有線電報。今天，我們的手機、廣播電視，全是電磁波通信，這徹底改變了人類的信息交流方式。 

　　引力波通信可以與遙遠的宇宙實施聯絡，而減少幹擾；由於電磁波受到大氣層等離子體幹擾、太陽風乾擾、以及銀河系電荷幹擾，所以電磁信號傳輸距離有限。引力波是物質時空的振蕩，傳播速度與電磁波一樣，但是它是物質加速運動造成的時空能量波動，而不是電磁場的波動，所以不受宇宙到處分布的電荷幹擾。可以設想，高度文明的外星人已經使用引力波通信技術，進行星際通訊傳播信息，可惜地球人類無法接收其信號；而我們的電磁信號即使傳到其它星球，也可能信息失真，這導致我們彼此在茫茫宇宙中互相尋找，不得知己。 

　　現在，太陽系已經走完45億年歷史，太陽壽命只有100億年，因此逃離太陽系是未來人類必須解決的問題，否則人類將與太陽一起在末日的燃燒中終結。假如藉助引力波通訊技術，接收高智慧的外星人信息，人類獲得更多宇宙的知識，他們將教會我們如何到宇宙深處找到新的家園，讓我們逃離地球的險惡環境。在21世紀，我們可能「傾聽」到外星人的引力波「歌唱」，或許這引導我們在未來與外星人匯合。找到宇宙深處的「自我」，這或許是人類科學好奇心的原初驅動力、也許是宇宙生命的終極意義吧。

    （作者：中國科學院國家天文臺張承民研究員）