APD觀察: 黑洞狂舞之聲——引力波的探測

　　科學家宣布發現引力波 廣義相對論最後預言獲證。（新華社發）

　　2月11日，美國科學家們宣布了一條重大新聞，引力波終於被探測到了。美國兩個相距3000公裡的 LIGO（雷射幹涉引力波天文臺） 同時探測到了一個長達五分之一秒，頻率由35赫茲增快到150赫茲的「低音」信號。經過分析表明，這是距離約10億光年以外兩個約30倍太陽質量的黑洞快速繞對方旋轉並且迅速合併為一個黑洞發出的引力波。計算表明這個引力波的功率是整個宇宙的光功率的幾十倍。愛因斯坦預言引力波之後100年，人類終於非常肯定地探測到了這個時空本身的波動。這對我們進一步打開自然奧秘之門、了解我們所在的宇宙的過去與未來，將有非常重要的意義。不僅如此，相關的探測技術令人驚詫 ，足以體現美國在高端科技的大規模投入以及美國目前在科技領域的高度領先。

　美國路易斯安那州利文斯頓市的雷射幹涉引力波天文臺的照片。（新華社發）

　　那麼，什麼是引力波？這要從什麼是平直空間講起。中國古代發現了勾股定理，勾三、股四、弦五 （古希臘稱為畢達哥拉斯定理），直角三角形的斜邊長度的平方等於兩個直角邊長度平方的和。其實這個關係隱含了一個假設，那就是空間是平直的。如果在球面上畫一個直角三角形，勾股定理就不成立了。人們一直假定，我們所在的三維空間是平直的。

　　一百年前，愛因斯坦發表了他的引力理論——又稱為廣義相對論。在這個理論裡，時間不再是均勻地流逝，三維空間也不再平直，而是會因為物質能量等的分布而變化，勾股定理也就得修改了。愛因斯坦的引力場的左邊是空間時間的彎曲度，右邊是引力源（質量、能量、動量流），左邊等於右邊。對於右邊不變的情況，在引力弱的情況下，愛因斯坦場方程得到與牛頓的萬有引力基本一致的結果，但仍然有極為微小的差別。例如，地面上的時間會比1000米高處的時間流逝要慢，儘管差別只有10萬億分之一，但已經被實驗驗證了。

　　愛因斯坦一百年前在其廣義相對論中假設重力波。根據相對論，空間與時間交織成「空時」（spacetime），我們的宇宙觀念因此在3D之外加上第四維。

　　既然時空的彎曲度與引力源有關，那麼當引力源隨時間變化時，時空的彎曲度也會隨時間變化。這種彎曲度的變化不會停留在一處，而是會傳播開來。這就是引力波，又叫做引力輻射。比如地球繞太陽公轉，轉一圈是一年；地球作為一個引力源在周期性運動，這個周期性變化就會產生引力波，其波動的頻率是每年兩次。具體的計算都可以通過愛因斯坦的場方程進行，而且由於是弱引力的情況，相關的方程得到大大的簡化。

　　雙黑洞系統想像圖。

　　引力波所到之處，隨之而來的時空波動的效果是物體的長度會發生變化。這種變化不是物體在伸縮，而是空間本身的伸縮。理論上，探測引力波可以通過測量物體長度的變化進行。但是粗略的計算表明，在實驗室裡人工製造引力波只能產生幾百億億億億分之一的長度變化，這在可預計的將來都是過於微小而不可探測的。鑑於此，遙遠天體在劇變過程中發出的引力波成為唯一可行的探測對像。為此，全世界的科學家們作出了前僕後繼的努力。

　　這是技術人員在關閉艙門抽制真空前檢查光學部件。（新華社發）

　　1960年代，美國物理學家約瑟夫·韋伯設計了一組實驗，通過觀測金屬鋁圓柱體的振動來觀測引力波。他發表了若干論文，聲稱已經探測到了引力波。但他的實驗沒能被其他物理學家重複。如果他的觀測確實是引力波，那麼就說明在離銀河系不遠處，頻繁有大規模天文事件發生，而我們所在的宇宙是相對平穩的。最終，科學界一致認為，韋伯的數據分析存在很大的缺陷，其觀測到的很可能是噪音信號，不足為信。

　　1965年，韋伯教授在調試他的引力波探測器。（資料圖片）

　　但韋伯的努力鼓舞了後繼者。1960年代，蘇聯科學家首先提出用雷射相干的方法測量距離的變化。美國科學家進行了進一步分析，總結如何排除各種噪聲信號（如微地震、熱振動、汽車引起的振動等等）以提高靈敏度。做這樣的探測需要大量的資金。以LIGO為例，它是一個L型的雷射幹涉儀，L型的每個臂長為4公裡，裡面抽成超高真空。建造這麼個觀測站耗資數億美元，每年運行費用數千萬。從2002年建成後運行8年，一直沒有探測到引力波。經分析總結之後，認為必須升級提高靈敏度。於是又投入數億美金，進行升級改造。終於非常肯定地探測到了引力波。

　　憑藉LIGO，研究團隊捕捉到了兩個黑洞合併時的引力波信號。（德新社）

　　這次LIGO探測的引力波最大的信號為十萬億億分之一。這是個什麼概念呢？探測器的臂長是4000米，這個長度的十萬億億之一是400億億分之一米，而一個氫原子的半徑約為400億分之一米。也就是說，LIGO探測到的長度最大變化只有一個氫原子半徑的一億分之一。其效應如此之小，引力波的概念愛因斯坦在100年前提出，到今天才被探測到也就並不奇怪了。

　　計算表明這次探測到的引力輻射應該是來自兩個質量約為太陽質量約30倍的黑洞互相繞對方旋轉，螺旋式的越轉越近，越轉越快，以引力波形式發射大量的能量，並最終合併。150赫茲的信號說明黑洞在軌道上轉動的速度達到了每秒鐘75圈，而兩者之間的距離只有約三百多公裡。這意味著黑洞的相對速度達到了每秒10多萬公裡，接近光速的一半。如此劇烈的黑洞之舞，幸好是發生在10多億光年之外——也就是說在10多年億之前。

　　LIGO漢福德實驗室的雷射和真空設備區（LVEA）裡面預穩定雷射器，光束分離器等設備的鳥瞰圖。（路透社）

　　美國崇尚科技，連美國的大眾娛樂充滿了科學探索。不管是《星際穿越》還是《火星人》，都是面向未來。 LIGO 引力波探測的核心人物之一是物理學家基普·託恩 (Kip Thorne）。好萊塢科幻大片《星際穿越》（Interstellar ）正是根據託恩的理論研究並由他擔任執行製片，據稱電影裡的某些模擬計算就可以發表幾篇論文。美國人把目光投向了遙遠的星球、星系乃至宇宙的邊緣，美國對人類科技文明的貢獻舉世矚目。在牛頓出現之前，中國與西方基本上保持了科技水平的平衡；牛頓之後，中國大幅落後。今天我們處於後愛因斯坦時代，中美科技水平存在相當的差距。引力波的探測已經跨越了一個重要的裡程碑，但未來還有更為廣闊的前景。中國如果不甘落後，仍然大有可為。（亞太日報特約記者嶽東曉 理論物理博士）