什麼是引力波？它是怎麼被發現的？

導讀：在本文中，我們將詳細談一談引力波，以及探測它們的「神兵利器」。

作者：尼古拉斯·米（Nicholas Mee）

來源：華章科技

01 引力場的漣漪——引力波

法拉第（見圖4-1）認識到，遍布於整個空間的電磁場是電磁力的載體。這個觀點改變了我們對物理世界的理解。

▲圖4-1 印著法拉第頭像的面值20英鎊的紀念紙幣

後來，麥克斯韋用一組數學方程，闡明了法拉第的觀點，建立起電磁統一理論。這個理論告訴我們，光是電磁波，可見光也只是電磁波譜的一部分，除了可見光，還有其他頻率的電磁波。

赫茲通過實驗證實了無線電波的存在，隨之而來的是收音機的發明，以及電視、雷達、手機及許多其他應用的湧現。帶電粒子（如電子）如果受到振動，就會發出電磁波。

愛因斯坦富有洞見地用「場」趕走了引力的「超距作用」，解除了牛頓的困境。如同麥克斯韋的電磁理論是電磁學的經典理論，愛因斯坦的廣義相對論也是引力的經典理論。廣義相對論預言，宇宙中有引力波——連續不斷的時空波動。

02 引力場

愛因斯坦在構思他的新引力理論——廣義相對論時，打算把場的概念應用到引力上。他成功地做到了這一點。誰想到，這個場竟然就是時空本身。

在廣義相對論裡，時空就好比是電磁場，物質的質量是電荷。廣義相對論預言，大質量物體在猛烈旋轉時會產生引力波，由於引力可以用時空扭曲來描述，那麼引力波就是時空的漣漪（見圖4-2）。

▲圖4-2 雙黑洞系統發出引力波的示意圖

探測電磁波不是什麼難事。每當我們睜開眼，或者打開電視、登錄無線網，甚至用微波爐熱一杯茶的時候，我們就在接收電磁波。但是，探測引力波可沒這麼容易，因為引力可比電磁力微弱多了。

在我們生活的環境裡，引力十分重要，這讓我們誤以為引力很強。但實際上，只有像行星那樣大的一團物質，才能產生明顯的引力效果。即便如此，一塊小小的磁鐵就能與整個地球的引力抗衡，輕而易舉地把小鐵釘吸起來。

引力是如此微弱，以至於搖晃大質量物體，也只能產生極微小的引力漣漪。只有宇宙中最暴烈的事件（比如超新星爆發、中子星碰撞、黑洞併合）產生的引力波，才有可能被我們探測到。

而且，探測儀器必須非常靈敏：能夠測量相距幾千米的兩點之間距離的變化，這個變化小於質子的千分之一或原子的十億分之一。雖然這聽上去難以置信，但科學家已經造出了這樣的儀器。

03 探測時空漣漪

在廣義相對論問世100年後，引力波研究終於取得了第一次成功。美國科學家潛心鑽研數十載，建成了雷射幹涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）。

LIGO由彼此相隔3000千米的兩套裝置組成，一個位於華盛頓州的漢福德，另一個在路易斯安那州的利文斯頓（見圖4-3），兩套設備必須完全分隔開，才能從本地的幹擾信號中辨別出真正的引力波信號。

▲圖4-3 美國路易斯安那州利文斯頓的LIGO裝置

兩套裝置皆呈L形，各有兩個4千米長、彼此垂直的臂，臂內保持超高真空狀態。科學家把一束雷射導入分束器，由分束器把雷射一分為二，分別送入兩條臂中。在臂的兩端各有一面鏡子，雷射在兩面鏡子之間來回反射400次（走過1600千米）。最後，再把兩條臂中的雷射合二為一。

裝置經過特別設計，讓一束光的波峰正對另一束光的波谷，使兩束雷射在合併後彼此抵消，如此一來，就不會有光傳到光電探測器上。

當有引力波經過時，雙臂的臂長稍有改變，導致兩束雷射在臂中走過的距離發生變化，光的相位也隨之偏移（幅度遠小於1個波長）。結果，兩束雷射在合併時不再完全抵消，這時，就會有一部分光傳到光電探測器上（見圖4-4）。

LIGO異常靈敏，因為只有如此，它才有可能探測到引力波。

▲圖4-4 LIGO引力波探測器示意圖

▲左：兩束雷射完全反相，在合成束後完全抵消。這時，不會有光傳到光電探測器上。右：臂兩端的鏡子稍稍改變位置，導致兩束雷射走過的路程發生變化。如此一來，兩束雷射不再完全反相，在合併後會有一部分光傳到光電探測器上

04 深空裡的暴烈事件

LIGO的升級版——高新雷射幹涉引力天文臺（Advanced LIGO），在2015年9月18日投入運行。然而，就在正式投用的前4天，奇妙的事情發生了。漢福德和利文斯頓兩地的裝置在幾毫秒內，先後探測到一個相同的明確信號（見圖4-5）。

▲圖4-5 LIGO探測到有史以來第一個引力波信號

科學家已經研究過這種暴烈事件，並用計算機建模。所以，他們能從LIGO探測到的引力波中，辨認出事件的特徵。根據計算機模型，科學家發現雙黑洞併合系統能夠持續不斷地發出引力波。整個系統也因此不斷消耗能量，致使兩個黑洞越轉越近，最終合併成一個新黑洞。

在黑洞向內繞轉的最後時刻，系統發出的引力波明顯增強。新形成的黑洞一開始時極不穩定，在發出最後一陣引力波（鈴宕）後，便很快安定下來。

科學家從這第一個簡簡訊號裡，提取出大量的信息。他們知道了這個黑洞併合事件發生在距離我們13億光年的地方。LIGO探測到的引力波正是兩個黑洞在併合前一刻以及鈴宕階段產生的。據估算，兩個黑洞的質量分別是太陽質量的29倍和36倍，併合形成的新黑洞有62倍太陽質量，而且在飛快地自轉。

真正令人吃驚的是，在這場併合中，約有3倍太陽質量的物質轉化成能量，以引力波的形式釋放出來。如此巨大的能量釋放只在時空中掀起了極小的漣漪，這個時空漣漪向外擴散，傳播到13億光年外的地球。引力波雖然只是微小的時空漣漪，卻攜帶著巨大的能量。

這是人類有史以來第一次探測到雙黑洞系統，也是迄今為止最為直接的一次黑洞觀測。這次觀測還證實了引力波如預期的那樣，以光速傳播。

2017年的諾貝爾物理學獎頒給了美國物理學家基普·索恩（Kip Thorne）、巴裡·巴裡什（Barry Barish）和雷納·韋斯（Rainer Weiss），以表彰他們在LIGO研發中做出的決定性貢獻。引力波天文學的時代到來了。

05 名字的含義

宇宙中可能蕩漾著引力波，這是廣義相對論做出的驚人預言。但直到廣義相對論誕生100年後，這個預言才被證實。我們在前文已經講過，LIGO在2015年9月探測到了引力波。

現在，LIGO每過幾個月就會探測到新的引力波信號，頭4個信號都是遙遠的黑洞併合事件產生的，其中第三個信號是LIGO在2017年1月4日探測到的。

藝術家根據這個信號，對雙黑洞系統展開想像（見圖5-1）。這兩個黑洞的質量分別是太陽質量的32倍和19倍，它們的自轉方向也各不相同。圖5-1展示了它們即將併合的場景。這個引力波信號被命名為GW170104。猜猜看，它為什麼叫這個名字？

▲圖5-1 藝術家根據引力波信號GW170104想像的兩個黑洞即將併合的場景

06 可愛的引力波探測器LISA

LIGO探測到引力波可是一個非常了不起的技術成果。歐洲空間局（European Space Agency，ESA）想要更勝一籌，打算把引力波探測器送入太空。

這個探測器名叫太空雷射幹涉儀（Laser Interferometer Space Antenna，LISA），由1個母飛行器和2個子飛行器構成。這3個飛行器彼此相隔250萬公裡，在太空中排布成一個等邊三角形，一同圍繞太陽旋轉（見圖5-2）。

LISA用雷射監測飛行器的間距，宛如一臺精確的幹涉儀。當有引力波途經此處，飛行器的間距會發生輕微改變，幹涉儀便能探知到這一切。

▲圖5-2 LISA的示意圖

07 為LISA鋪路

2015年12月，LISA探路者探測器發射升空。作為LISA的開路先鋒，它將對搭建太空幹涉儀的技術和可行性進行測試和評估。進入太空後，LISA探路者在艙內放出兩個測試金屬塊，讓其自由漂浮，並用雷射幹涉儀測量它們的間距（見圖5-3），隨後，再以前所未有的精度（小於0.01納米）隨時監測它們的位置變化。

▲圖5-3 LISA探路者放出兩個測試金屬塊，讓其自由漂浮，同時用高精度雷射幹涉儀測量它們的間距

探路者這麼做的目的是想向大家展示，這兩個金屬塊能夠不受任何內部或外部的幹擾，保持理想的自由落體狀態。

尤其引人注目的是，探路者能夠感知金屬塊的運動，並用微型推進器調整自身的位置，避免碰觸到金屬塊。為了保證幹涉儀的高靈敏性，做到這一點至關重要，因為探測器難免會受到諸如太陽風、微小流星體的撞擊及艙內氣體分子等多種幹擾。

探路者的金屬塊彼此間距不過40釐米，可是，LISA的3個飛行器卻彼此相隔幾百萬公裡。為了確保LISA的距離測量和探路者的一樣精準，探測器的靈敏度也會隨體型的增大而提高。2017年6月，ESA宣布，經過LISA探路者的測試，太空幹涉技術的表現超出預期，這意味著有此技術傍身的LISA一定十分靈敏，能夠探測到引力波。

08 我們將會看到什麼

與LIGO及地面上的其他引力波探測器相比，LISA對更大的天體系統發出的波長更長的引力波比較敏感，所以它能探測到前者探測不到的引力波，因而大大地提升了我們研究引力波的能力。

在產生引力波信號GW170104的事件中，發生併合的兩個黑洞雖然質量很大，但它們的直徑只有190千米和115千米，併合形成的新黑洞也僅有280千米寬。以宇宙標準來衡量，它們都是小不點。

只要是兩個緻密的天體（可能是白矮星、中子星或者黑洞）互相繞轉構成的密近雙星系統，在併合前一刻發出的引力波，LISA都可以探測到。比如發出引力波信號GW170104的雙黑洞系統，LISA在兩個黑洞併合前數周甚至幾個月，就能探測到它們發出的引力波了。

這樣一來，科學家就能確定系統的方位，還能準確地預測出併合的時間。這些信息的用處很大，能夠幫助科學家找到它們的光學對應體。

09 超大質量黑洞

在銀河系的中心，潛伏著一個超大質量黑洞，它的質量是太陽質量的400多萬倍（見圖5-4）。

▲圖5-4 藝術家眼中的超大質量黑洞

科學家認為，儘管不是所有的，但絕大多數星系，在其中心都藏匿著一個這樣的巨獸。LISA不僅會看到這些黑洞吞噬周圍的恆星，還會探測到它們的併合過程。在宇宙中，如此激烈、壯觀的事件肯定時有發生，讓我們期待著發現更多事件吧。

目前，我們還不十分清楚，超大質量黑洞是如何形成、長大的。LISA能夠探測到它們出生前的陣痛，為我們提供重要的線索，幫助我們理解它們的形成過程，了解它們與早期宇宙中的類星體有何關聯。

LISA還能幫我們改進描述宇宙大爆炸的直接後果和極早期宇宙的理論模型。此外，LISA還回贈我們一個大禮包——為廣義相對論提供嚴格的新測試，這將增進我們的基礎物理知識。

作為ESA的「宇宙願景」（Cosmic Vision）計劃的一部分，LISA將於2034年飛入太空。

關於作者：尼古拉斯·米（Nicholas Mee），在劍橋大學學習期間主攻理論物理和數學，以優異的成績獲得了數學學士學位，並以論文《超對稱量子力學和幾何學》獲得理論粒子物理學博士學位。

本文摘編自《宇宙觀：一場跨越時空的宇宙探秘之旅》，經出版方授權發布。

延伸閱讀《宇宙觀：一場跨越時空的宇宙探秘之旅》

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