文|觀察未來科技
1916年，愛因斯坦發(fā)表論文，預(yù)測了引力波的存在；一個世紀(jì)后，2015年9月14日，位于美國華盛頓州和路易斯安那州的“先進(jìn)LIGO”激光干涉儀首次探測到了黑洞合并事件，人類終于成功探測到的引力波信號GW150914。
兩年后，2017年10月3日，由于在引力波領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)，美國麻省理工學(xué)院雷納·韋斯（Rainer Weiss）、加州理工學(xué)院基普·索恩（Kip Thorne）和巴里·巴里什（Barry Barish）被授予2017年諾貝爾物理學(xué)獎。
劉慈欣的小說《朝聞道》中，掌握宇宙終極理論的外星文明“排險者”造訪了地球，至于排險者如何得到這本終極真理，答案就是引力波?？梢哉f，引力波的證實開啟了一個全新的時代，如今，隨著對于引力波研究的日漸深入，以光速傳播擾動時空也讓人們離宇宙真理更近。
時空彎曲的漣漪
引力波，來源于愛因斯坦的廣義相對論。如果愛因斯坦的狹義相對論發(fā)現(xiàn)物質(zhì)和能量是等價的，那么廣義相對論則宣告運動中的物質(zhì)決定了時空的形狀。引力波的專業(yè)說法是：四維時空曲率的擾動以行進(jìn)波的方式向外傳遞的一種方式，所以引力波更應(yīng)該叫曲率波。簡單來理解，引力波就是時空彎曲的漣漪，通過波的形式從輻射源向外傳播。
如果說牛頓的理論是“質(zhì)量告訴引力場如何形成，引力場告訴質(zhì)量如何運動”，那么廣義相對論則是“物質(zhì)告訴時空如何彎曲，時空告訴物質(zhì)如何運動”。愛因斯坦之所以偉大，就在于他兩次改變了人類對時間和空間的思維范式。第一次他告訴我們時空一體，同時相對，第二次則告訴我們時空是彎曲的。
至于時空為什么會彎曲，愛因斯坦認(rèn)為，基于廣義相對論，在非球?qū)ΨQ的物質(zhì)分布情況下，物質(zhì)運動，或物質(zhì)體系的質(zhì)量分布發(fā)生變化，即物質(zhì)分布改變時，時空也會相應(yīng)變化，這一變化會以波動的形式以光速傳播，即引力波。
比如，在一個平靜的湖面上放一個皮球，皮球之下的水面就是一個弧形，這就叫物體質(zhì)量引起時空彎曲；但此時湖面仍然是平靜的，并沒有什么水波出現(xiàn)。我們在旁邊再放一個皮球，只要不動它，仍然沒有水波出現(xiàn)。但如果兩個皮球在湖面互相繞著轉(zhuǎn)動，湖面就會產(chǎn)生水波向外傳播——如果我們把湖面視作時空，那么，湖面產(chǎn)生的水波就是時空的波動，也就是引力波。
試想一下，在宇宙的某個地方，兩個黑洞發(fā)生了碰撞。在碰撞發(fā)生前的最后幾秒鐘里，它們在引力作用下一起繞著最終接觸點完成了數(shù)千次的旋轉(zhuǎn)，使時空發(fā)生了劇烈振蕩。碰撞之后，這兩個黑洞合并到一起，形成了一個更大的黑洞。黑洞合并時，無數(shù)能量則以純引力，也就是引力波的形式，不停地向四周傳播，時空受到擾動而泛起漣漪——這種高強(qiáng)度的引力波，總有一天會傳播到地球。
當(dāng)然，根據(jù)廣義相對論，引力波在傳播過程中是不斷衰減的，也就是時空一彎一曲地從黑洞合并處向外傳播，剛開始彎曲擾動得特別厲害，但傳得越遠(yuǎn)對時空的擾動就越小。假設(shè)合并的黑洞距離地球10億光年，這也是為什么引力波到了地球就衰減得難以測量，對地球物體產(chǎn)生的變形也微乎其微的原因。
當(dāng)引力波還在黑洞附近時，假設(shè)它們的強(qiáng)度為1，就是說，物體有多大，它就把物體拉伸或壓縮多少。然而，到達(dá)地球時，引力波的強(qiáng)度將減小到約（1/30黑洞周長）/（波經(jīng)過的距離）。對一個10億光年遠(yuǎn)、10個太陽那么重的黑洞來說，引力波強(qiáng)度為（1/30）×（180千米的黑洞周長）/（到地球的10億光年）≈10-21。因此，它使地球海洋發(fā)生的形變就為10-21×（107米的地球大?。?10-14米，僅僅是原子核直徑的10倍。
想在地球洶涌的海洋上測量這么微小的潮汐是完全沒有希望的。不過，通過周密設(shè)計的實驗室儀器來測量引力波的潮汐力，還是有希望的——那就是引力波探測器，即利用光的干涉原理，觀察引力波造成的干涉波形圖樣。在引力波的影響下，會出現(xiàn)微小的光波波形變化，這時光探測器就能感應(yīng)到干涉條紋的變化。
從預(yù)言到斷言
盡管愛因斯坦曾經(jīng)預(yù)言引力波的存在，但愛因斯坦也曾經(jīng)斷言，人類不可能測得到引力波。這是因為在人類發(fā)現(xiàn)的自然界四種基本相互作用中，引力是最弱的一種，只有弱作用力的億億億億分之一。愛因斯坦廣義相對論的其他預(yù)言在如光線的彎曲、水星近日點進(jìn)動以及引力紅移效應(yīng)在提出以后都陸續(xù)都獲得證實，唯有引力波一直徘徊在科學(xué)家的“視線”之外。
盡管探測任務(wù)艱巨，但人們并沒有放棄探測引力波的存在。非常重要的早期工作之一由一類叫韋伯棒(Weber bars)的儀器完成。這類儀器的名字來源于馬里蘭大學(xué)的約瑟夫·韋伯(Joseph Weber)，它們由巨大的金屬圓柱組成，大約1米寬，幾米長。人們設(shè)想當(dāng)引力波穿過地球時，它會導(dǎo)致圓柱振動，就像用木槌敲擊鈴鐺一樣。只有某種頻率的引力波存在時才能引起圓柱振動。
當(dāng)年用來探測引力波的韋伯棒精確度能達(dá)到10-15。雖然聽上去十分靈敏，但還不足以探測到今天人們熟知的引力波。于是，在韋伯棒的基礎(chǔ)上，研究人員開發(fā)出了另一種技術(shù)來探測引力波，那就是干涉法。1971年，約瑟夫·韋伯的學(xué)生羅伯特·弗爾沃德建成臂長8.5m的引力波干涉儀雛形，經(jīng)過150小時的探測，遺憾的是，弗爾沃德也并未探測到引力波。
1984年，美國加州理工學(xué)院與麻省理工學(xué)院合作設(shè)計與建造了激光干涉引力波天文臺（LIGO）。1999年，在美國路易斯安那州的利文斯頓（Livingston）與華盛頓州的漢福德（Hanford）分別建成相同的探測器，兩地相距3000多千米，這樣一來，就可以通過超級計算機(jī)比對兩者采集到的數(shù)據(jù)，并通過算法來排除許多干擾信息。
2002年，LIGO正式進(jìn)行第一次引力波探測，2010年結(jié)束數(shù)據(jù)搜集。在這段時間內(nèi)，并未探測到引力波，但是整個團(tuán)隊獲得了很多寶貴經(jīng)驗，探測靈敏度也有所改善。2010年至2015年，LIGO又經(jīng)歷了大幅度改良，升級后的探測器被稱為“先進(jìn)LIGO”（aLIGO），于2015年再次開啟運作，終于在2015年9月14日與Virgo等引力波探測器合作成功探測到引力波。
格林尼治時間2015年9月14日9點50分45秒，位于路易斯安那州利文斯頓的LIGO引力波探測器的干涉儀中出現(xiàn)了震蕩信號。這一信號只持續(xù)了0.2秒的時間，它導(dǎo)致干涉儀那條4千米長的懸臂伸縮了1/1000個質(zhì)子大小的尺度。大約0.007秒后，位于華盛頓州漢福德的探測器收到了相似的信號。
這一信號激發(fā)了警報，操作這一實驗的科學(xué)家們立刻毫無疑問地確信，他們探測到了穿過地球的引力波。自1916年至2015年首次直接探測到引力波，人類已尋找了它100年。2015年12月26日、2017年1月4日、2017年8月14日LIGO又先后三次探測到黑洞并合產(chǎn)生的引力波。
2017年10月16日，包括中國南京紫金山天文臺和美國宇航局在內(nèi)，全球數(shù)十家天文研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家宣布人類第一次探測到雙中子星并合引力波，并同時“看到”該宇宙事件發(fā)出的電磁信號。這是人類成功探測到的第一例雙中子星引力波事件，也是人類首次窺見引力波源頭的奧秘。
在蟲洞中穿梭
引力波的成功探測讓我們得以重新認(rèn)識了宇宙。
引力波有兩個非常重要而且比較獨特的性質(zhì)。一方面，引力波不需要任何的物質(zhì)存在于其周圍，這時就不會有電磁輻射產(chǎn)生。另一方面，引力波能夠幾乎不受阻擋地穿過行進(jìn)途中的天體。比如，來自遙遠(yuǎn)恒星的光會被星際介質(zhì)所遮擋，而引力波能夠不受阻礙地穿過。
這兩方面的特征使得引力波攜帶更多之前從未被觀測過的天文信息。通過研究引力波，科學(xué)家們能夠區(qū)分最初宇宙奇點所發(fā)生的事情。如果人類能夠截獲這些信息，我們或許就能夠利用全新的手段來研究黑洞、中子星等各種天體，弄清發(fā)生在宇宙彼端的故事。而一旦尋找到合適的引力波，人們將能夠為大爆炸理論和宇宙膨脹理論找到有利的證據(jù)。
通過引力波光學(xué)信號的觀測和光譜分析，科學(xué)家們還可以分析元素的變化情況。比如，中子星并合是宇宙的“巨型黃金制造廠”，借助引力波探究中子星，人們就可以窺見金、銀等超鐵元素是如何在宇宙的“盛大焰火”中產(chǎn)生的。中子星的一次碰撞，拋出的碎塊中形成的黃金足有300個地球那么重。
不僅如此，引力波的證實也為人們發(fā)現(xiàn)宇宙彎曲的一面開辟了道路。電影《星際穿越》講述了一場人類經(jīng)歷黑洞、蟲洞、奇點、引力異常和高維空間的冒險旅程。所有這些物理現(xiàn)象都源自于空間與時間的彎曲或與彎曲密切相關(guān)。
其中，蟲洞就是宇宙中相距遙遠(yuǎn)的兩點間的一條假想捷徑。它有兩個洞口，例如，一個在地球附近，另一個在26光年外織女星軌道附近。兩個洞口通過超空間的隧道相聯(lián)結(jié)（蟲洞），可能只有1千米長。假如我們從地球附近的洞口走進(jìn)隧道，只經(jīng)過1千米，就到達(dá)另一洞口，出現(xiàn)在（從外面的宇宙看來）26光年遠(yuǎn)的織女星旁——蟲洞就是時光機(jī)器。
實際上，蟲洞不僅是科幻小說家憑空想象的東西，早在1916年，人們就在愛因斯坦場方程的解里發(fā)現(xiàn)它了。那時，愛因斯坦的場方程剛建立幾個月。如果能夠建造穩(wěn)定的可穿越蟲洞，那么，在未來無論人們的兩端相隔多遠(yuǎn)，都能實現(xiàn)幾乎實時的通信和旅行。如前所示，蟲洞就是一條時空中的捷徑，讓我們可以從A地來到B地而不用穿越橫亙在二者之間的空間。
然而，到目前為止，人類對時空彎曲還不甚了解，幾乎沒有相關(guān)的實驗和觀測數(shù)據(jù)。這也是為什么引力波尤其重要的原因：引力波源自于空間的彎曲，可以說，引力波就是探索宇宙彎曲的理想工具。
當(dāng)前，我們正在迅速邁向一個發(fā)現(xiàn)引力波變得習(xí)以為常的時代。隨著技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家也將發(fā)現(xiàn)更多有關(guān)引力波的新細(xì)節(jié)，并繼續(xù)突破人們曾經(jīng)以為的物理邊界。