愛因斯坦世紀(jì)預(yù)言終獲驗(yàn)證，LIGO首次直接探到引力波

明鏡，胡一鳴,2

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愛因斯坦世紀(jì)預(yù)言終獲驗(yàn)證，LIGO首次直接探到引力波

明鏡1，胡一鳴1,2

1915年，愛因斯坦發(fā)表了場(chǎng)方程，建立了廣義相對(duì)論。1年之后，史瓦西發(fā)表了后來被用來解釋黑洞的愛因斯坦場(chǎng)方程的解。1963年，克爾給出了旋轉(zhuǎn)黑洞的解。1974年脈沖雙星PSR1913+16的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了致密雙星系統(tǒng)的引力輻射完全與廣義相對(duì)論的預(yù)言一致。2016年2月11日，LSC（LIGO科學(xué)合作組織，LIGO Scientific Collaboration）向全世界宣布：人類首次直接探測(cè)到了引力波，并且首次觀測(cè)到了雙黑洞的碰撞與并合。

在這100百年里，被譽(yù)為“人類認(rèn)知自然最偉大的成就”的廣義相對(duì)論，一直在成長中：我們知道了時(shí)空的彎曲以及一些由時(shí)空彎曲可能產(chǎn)生的奇異事物，比如黑洞、引力波、奇點(diǎn)、蟲洞甚至?xí)r間機(jī)器。在過去歷史中的某些時(shí)期，甚至現(xiàn)在，其中有些事物被不少物理學(xué)家視為洪水猛獸般的怪物，對(duì)它們是否存在提出過強(qiáng)烈的懷疑。就連愛因斯坦直到逝世前都還在懷疑黑洞的存在。曾經(jīng)同樣的黑洞懷疑論者惠勒，后來卻成為了黑洞存在的支持者和宣傳者。歷史告訴我們，我們對(duì)時(shí)間、空間和時(shí)空彎曲所產(chǎn)生的事物的認(rèn)知，會(huì)發(fā)生革命。引力波作為廣義相對(duì)論的重要預(yù)言，直到在20世紀(jì)60年代，其存在性也仍被不少物理學(xué)家質(zhì)疑過。在之后的漫長歲月里，幾代物理學(xué)家付出了無數(shù)努力，可這神秘的引力波卻一直沒有被發(fā)現(xiàn)。

北京時(shí)間2015年9月14日17點(diǎn)50分45秒，激光干涉儀引力波天文臺(tái)（簡(jiǎn)稱LIGO）分別位于美國路易斯安那州的利文斯頓（Livingston）和華盛頓州的漢福德（Hanford）的兩個(gè)的探測(cè)器，觀測(cè)到了一次置信度高達(dá)5.1倍標(biāo)準(zhǔn)差的引力波事件：GW150914。根據(jù)LIGO的數(shù)據(jù)，該引力波事件發(fā)生于距離地球十幾億光年之外的一個(gè)遙遠(yuǎn)星系中。兩個(gè)分別為36和29太陽質(zhì)量的黑洞，并合為62太陽質(zhì)量黑洞，雙黑洞并合最后時(shí)刻所輻射的引力波的峰值強(qiáng)度比整個(gè)可觀測(cè)宇宙的電磁輻射強(qiáng)度還要高10倍以上。詳細(xì)結(jié)果將在近日發(fā)表于物理評(píng)論快報(bào)（Physical Review Letters, 116, 061102）。這項(xiàng)非凡的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著天文學(xué)已經(jīng)進(jìn)入新的時(shí)代，人類從此打開了一扇觀測(cè)宇宙的全新窗口。

1　什么是引力波

廣義相對(duì)論告訴我們：在非球?qū)ΨQ的物質(zhì)分布情況下，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)或物質(zhì)體系的質(zhì)量分布發(fā)生變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生引力波。在宇宙中，有時(shí)就會(huì)出現(xiàn)如致密星體碰撞并合這樣極其劇烈的天體物理過程。過程中的大質(zhì)量天體劇烈運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)著周圍的時(shí)空，扭曲時(shí)空的波動(dòng)也在這個(gè)過程中以光速向外傳播出去。因此引力波的本質(zhì)就是時(shí)空曲率的波動(dòng)，也可以唯美地稱之為時(shí)空的“漣漪”。

引力波的強(qiáng)度由無量綱量h表示。其物理意義是引力波引起的時(shí)空畸變與平直時(shí)空度規(guī)之比。h又被稱為應(yīng)變。

2　引力波科學(xué)的發(fā)展歷史

在過去的60年里，有許多物理學(xué)家和天文學(xué)家為證明引力波的存在做出了無數(shù)努力。其中最著名的要數(shù)引力波存在的間接實(shí)驗(yàn)證據(jù)——脈沖雙星PSR1913+16。1974年，美國物理學(xué)家家泰勒（Joseph Taylor）和赫爾斯（Russell Hulse）利用射電望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)了由兩顆質(zhì)量大致與太陽相當(dāng)?shù)闹凶有墙M成的相互旋繞的雙星系統(tǒng)。由于兩顆中子星的其中一顆是脈沖星，利用它的精確的周期性射電脈沖信號(hào)，我們可以無比精準(zhǔn)地知道兩顆致密星體在繞其質(zhì)心公轉(zhuǎn)時(shí)它們軌道的半長軸以及周期。根據(jù)廣義相對(duì)論，當(dāng)兩個(gè)致密星體近距離彼此繞旋時(shí)，該體系會(huì)產(chǎn)生引力輻射。輻射出的引力波帶走能量，所以系統(tǒng)總能量會(huì)越來越少，軌道半徑和周期也會(huì)變短。

泰勒和他的同行在之后的30年里對(duì)PSR1913+16做了持續(xù)觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果精確地按廣義相對(duì)論所預(yù)測(cè)的那樣：周期變化率為每年減少76.5 μs，半長軸每年縮短3.5 m。廣義相對(duì)論甚至還可以預(yù)言這個(gè)雙星系統(tǒng)將在3億年后合并。這是人類第一次得到引力波存在的間接證據(jù)，是對(duì)廣義相對(duì)論引力理論的一項(xiàng)重要驗(yàn)證。泰勒和赫爾斯因此榮獲1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

在實(shí)驗(yàn)方面，第一個(gè)對(duì)直接探測(cè)引力波作偉大嘗試的人是韋伯（Joseph Weber）。早在20世紀(jì)50年代，他第一個(gè)充滿遠(yuǎn)見地認(rèn)識(shí)到，探測(cè)引力波并不是沒有可能。從1957年到1959年，韋伯全身心投入在引力波探測(cè)方案的設(shè)計(jì)中。最終，韋伯選擇了一根長2 m，直徑0.5 m，重約1 t的圓柱形鋁棒，其側(cè)面指向引力波到來的方向。該類型探測(cè)器，被業(yè)內(nèi)稱為共振棒探測(cè)器。

當(dāng)引力波到來時(shí)，會(huì)交錯(cuò)擠壓和拉伸鋁棒兩端，當(dāng)引力波頻率和鋁棒設(shè)計(jì)頻率一致時(shí)，鋁棒會(huì)發(fā)生共振。貼在鋁棒表面的晶片會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)。共振棒探測(cè)器有很明顯的局限性，比如它的共振頻率是確定的，雖然我們可以通過改變共振棒的長度來調(diào)整共振頻率。但是對(duì)于同一個(gè)探測(cè)器，只能探測(cè)其對(duì)應(yīng)頻率的引力波信號(hào)，如果引力波信號(hào)的頻率不一致，那該探測(cè)器就無能為力。此外，共振棒探測(cè)器還有一個(gè)嚴(yán)重的局限性：引力波會(huì)產(chǎn)生時(shí)空畸變，探測(cè)器做的越長，引力波在該長度上的作用產(chǎn)生的變化量越大。韋伯的共振幫探測(cè)器只有2 m，強(qiáng)度為10-21的引力波在這個(gè)長度上的應(yīng)變量（2×10-21m）實(shí)在太小，對(duì)20世紀(jì)五六十年代的物理學(xué)家來說，探測(cè)如此之小的長度變化是幾乎不可能的。雖然共振棒探測(cè)器沒能最后找到引力波，但是韋伯開創(chuàng)了引力波實(shí)驗(yàn)科學(xué)的先河，在他之后，很多年輕且富有才華的物理學(xué)家投身于引力波實(shí)驗(yàn)科學(xué)中。

在韋伯設(shè)計(jì)建造共振棒的同時(shí)期，有部分物理學(xué)家認(rèn)識(shí)到了共振棒的局限性，有一種基于邁克爾遜干涉儀原理的引力波探測(cè)方案在那個(gè)時(shí)代被提出。到了70年代，麻省理工學(xué)院的韋斯（Rainer Weiss）以及馬里布休斯實(shí)驗(yàn)室的佛瓦德（Robert Forward），分別建造了引力波激光干涉儀。到了70年代后期，這些干涉儀已經(jīng)成為共振棒探測(cè)器的重要替代者。

自20世紀(jì)90年代起，在世界各地，一些大型激光干涉儀引力波探測(cè)器開始籌建，引力波探測(cè)黃金時(shí)代就此拉開了序幕。

這些引力波探測(cè)器包括：位于美國路易斯安那州利文斯頓臂長為4 km的LIGO（L1）；位于美國華盛頓州漢福德臂長為的4 km的LIGO（H1）；位于意大利比薩附近，臂長為3 km的VIRGO；德國漢諾威臂長為600 m的GEO，日本東京國家天文臺(tái)臂長為300 m的TAMA300。這些探測(cè)器在2002—2011年期間共同進(jìn)行觀測(cè)，但并未探測(cè)到引力波。在經(jīng)歷重大改造升級(jí)之后，兩個(gè)高新LIGO探測(cè)器于2015年開始作為靈敏度大幅提升的高新探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)中的先行者進(jìn)行觀測(cè)，而高新VIRGO也將于2016年年底開始運(yùn)行。此外，歐洲的空間引力波項(xiàng)目eLISA和日本的地下干涉儀KAGRA的研發(fā)與建設(shè)也在緊鑼密鼓地進(jìn)行。

想要成功探測(cè)諸如GW150914的引力波事件，不僅需要這些探測(cè)器具有驚人的探測(cè)靈敏度，還需要將真正來自于引力波源的信號(hào)與儀器噪聲分離。例如，由環(huán)境因素或者儀器本身導(dǎo)致的微擾，都會(huì)擾亂或者輕易淹沒我們所要尋找的信號(hào)。這也是為什么需要建造多個(gè)探測(cè)器的主要原因。它們幫助我們區(qū)分引力波和儀器環(huán)境噪聲，只有真正的引力波信號(hào)會(huì)出現(xiàn)在兩個(gè)或者兩個(gè)以上的探測(cè)器中。當(dāng)然考慮到引力波在兩個(gè)探測(cè)器之間傳播的時(shí)間，前后出現(xiàn)會(huì)相隔幾個(gè)毫秒。

經(jīng)過4年不斷升級(jí)和測(cè)試的高新LIGO終于在2015年9月初試鋒芒。事實(shí)上，很多人都對(duì)2015年的第一次觀測(cè)運(yùn)行（O1）能否探測(cè)到信號(hào)抱有懷疑態(tài)度，因?yàn)樗撵`敏度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒到最佳狀態(tài)。然而，宇宙往往在不經(jīng)意間給人以驚喜。甚至在O1沒有正式啟動(dòng)時(shí)，GW150914就已經(jīng)不期而遇了。萬幸的是，O1采用的是軟啟動(dòng)，所以在信號(hào)到達(dá)地球時(shí)，探測(cè)器已經(jīng)處于工作狀態(tài)了，采集到的數(shù)據(jù)也是可靠的。

3　GW150914事件到底是什么？

在2015年9月14日北京時(shí)間17 點(diǎn)50分45秒，LIGO位于美國利文斯頓與漢福德的兩臺(tái)探測(cè)器同時(shí)觀測(cè)到了GW150914信號(hào)。這個(gè)信號(hào)首先由低延遲搜索方法來識(shí)別（這種搜索方法并不關(guān)心精確的引力波波形，它通過尋找可能為引力波的某些特征跡象來較快速地尋找引力波），在僅僅3 min之后，低延遲搜索方法就將此作為引力波的候選事件匯報(bào)了出來。之后LIGO干涉儀獲得的引力波應(yīng)變數(shù)據(jù)又被LSC的數(shù)據(jù)分析專家們拿來和一個(gè)海量的由理論計(jì)算產(chǎn)生的波形庫中的波形相對(duì)照，這個(gè)過程是為了找到和原數(shù)據(jù)最匹配的波形，也就是通常所說的匹配濾波器法。圖7展示了進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析后的主要結(jié)果，證實(shí)了GW150914是兩個(gè)黑洞并合的事件。

后續(xù)跟進(jìn)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果還顯示，GW150914是一個(gè)36倍太陽質(zhì)量的黑洞和一個(gè)29倍太陽質(zhì)量黑洞并合事件，在并合后產(chǎn)生了一個(gè)62倍太陽質(zhì)量帶自旋的kerr黑洞。這一切發(fā)生于距離我們十幾億光年以外的地方。LIGO探測(cè)器真實(shí)地探測(cè)到了很久以前發(fā)生于某個(gè)遙遠(yuǎn)星系的一個(gè)大事件！

將并合前的兩個(gè)黑洞和最終產(chǎn)生的黑洞相比較，可以發(fā)現(xiàn)這次并合將大約3倍太陽質(zhì)量（大約600萬億億億（～6×1030）kg）轉(zhuǎn)換成了引力波能量，其中絕大部分在不到1 s的時(shí)間里釋放了出去。相比之下，太陽在1 s內(nèi)發(fā)出的能量大約只相當(dāng)于是10億（～4×109）kg物質(zhì)轉(zhuǎn)換成的電磁輻射。實(shí)際上，令人驚奇的是，GW150914放出的峰值功率要比可觀測(cè)宇宙中所有星系的光度總和還高10倍以上！正是因?yàn)橹旅茈p星系統(tǒng)在并合前的最后階段才能釋放達(dá)到峰值功率的引力波，所以之前提到的還有3億年才能并合的PSR1913+16雙星由于正在釋放的引力波強(qiáng)度還太弱，因此很難被探測(cè)到。

圖7中數(shù)據(jù)還表明，這兩個(gè)黑洞在并合前的間隔只有數(shù)百公里，引力波的頻率在此時(shí)大約達(dá)到了150 Hz。因?yàn)樽銐蛑旅?，黑洞是唯一已知在如此近的距離都不會(huì)碰撞融合的物體。由并合前總質(zhì)量可知，雙中子星的總質(zhì)量遠(yuǎn)低于此，而如果是一對(duì)黑洞和中子星組成的雙星的話，要產(chǎn)生這樣的波形，它們必定會(huì)在遠(yuǎn)低于150 Hz的時(shí)候就早已開始并合了。因此，GW159014確鑿無誤是一次雙黑洞的并合事件。

4　新的時(shí)代

愛因斯坦的廣義相對(duì)論自從100年前提出以來，歷經(jīng)了重重考驗(yàn)，從對(duì)水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)的解釋，到1919年愛丁頓對(duì)日全食時(shí)太陽附近光線偏折的研究，再到對(duì)引力紅移的驗(yàn)證，每一次檢驗(yàn)，相對(duì)論都從容應(yīng)對(duì)。而這一次引力波的探測(cè)，更是有力地支持了相對(duì)論在強(qiáng)引力場(chǎng)下的正確性。至此，廣義相對(duì)論的所有主要預(yù)言被一一驗(yàn)證，而這一個(gè)傳奇的理論在經(jīng)歷了一個(gè)世紀(jì)的風(fēng)雨后歷久彌新。

有那么一個(gè)時(shí)代，人們以為物理學(xué)的大廈已經(jīng)完整地建立，后世的物理學(xué)家只需要修修補(bǔ)補(bǔ)，把某些常數(shù)測(cè)得更精確一些。做出這個(gè)預(yù)言之后沒多久，開爾文就與世長辭，遺憾未能見證他當(dāng)年預(yù)言的“物理學(xué)天空的兩朵烏云”把看似堅(jiān)固的物理學(xué)大廈連根拔起，在廢墟上挺立起新兩座的高樓：相對(duì)論和量子力學(xué)。

現(xiàn)在，似乎又到了物理學(xué)突破山窮水盡的時(shí)刻，又是一個(gè)后輩只能修修補(bǔ)補(bǔ)的年代，對(duì)于一個(gè)物理學(xué)家而言，生于這個(gè)時(shí)代似乎是不幸的?？墒?，引力波的發(fā)現(xiàn)，又打開了一扇希望的大門。廣義相對(duì)論和量子力學(xué)存在著根本性的矛盾，一直是現(xiàn)代物理學(xué)天際線上的一朵烏云。而極大質(zhì)量和極小尺度的黑洞，是研究這一烏云最佳的著手點(diǎn)。引力波是唯一能深入探究黑洞的研究手段，作為物理學(xué)家，生于這個(gè)時(shí)代又是何其的幸運(yùn)！所以說，引力波的探測(cè)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了檢驗(yàn)廣義相對(duì)論本身的意義。

2015年9月14日引力波的發(fā)現(xiàn)是科學(xué)史上的里程碑。這一非凡的成就，凝聚了太多物理學(xué)家的心血，也是多少人魂?duì)繅?mèng)縈的所在。我們有幸生在這個(gè)時(shí)代，見證物理學(xué)歷史的重大進(jìn)程。對(duì)于我們這些親身參與其中的科研工作者而言，更是感到無比榮幸。雖然我國目前在引力波領(lǐng)域的研究力量稍顯薄弱，少有專門的研究團(tuán)隊(duì)，但是在LIGO科學(xué)合作組織中也活躍著不少中國人的身影，包括大陸地區(qū)LIGO科學(xué)合作組織的唯一成員單位清華大學(xué)，利用GPU加速引力波暴數(shù)據(jù)分析和實(shí)現(xiàn)低延遲實(shí)時(shí)致密雙星并合信號(hào)的搜尋；采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法加強(qiáng)引力波數(shù)據(jù)噪聲的分析；分析引力波事件顯著性的系統(tǒng)誤差等。此外，清華大學(xué)還參與構(gòu)建引力波數(shù)據(jù)計(jì)算基礎(chǔ)平臺(tái)，開發(fā)的數(shù)據(jù)分析軟件工具為LSC成員廣泛使用。我們特別感謝對(duì)本文有幫助的幾位LSC年輕同行們：羅切斯特理工的張淵皞，西澳大學(xué)的王龑、朱興江和儲(chǔ)琪，墨爾本大學(xué)的孫翎，伯明翰大學(xué)的王夢(mèng)瑤，格蘭薩索研究所的王剛等等。

在文章最后，列出LSC內(nèi)部幾位科學(xué)家包括我們自己對(duì)本事件的評(píng)價(jià)來結(jié)束此文。

“愛因斯坦當(dāng)初認(rèn)為引力波太過微弱而無法探測(cè)，并且他從未相信過黑洞的存在。不過，我想他并不介意自己在這些問題上弄錯(cuò)了?！?/p>

——馬克斯·普朗克引力物理研究所（阿爾伯特·愛因斯坦研究所）所長艾倫（Bruce Allen）

“通過這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，我們?nèi)祟愰_啟了一場(chǎng)波瀾壯闊的新旅程：一場(chǎng)對(duì)于探索宇宙那彎曲的一面（從彎曲時(shí)空而產(chǎn)生的事物和現(xiàn)象）的旅程。黑洞的碰撞和引力波的觀測(cè)正是這個(gè)旅程中第一個(gè)完美的范例?！?/p>

——索恩（Kip Thorne）

“引力波的直接探測(cè)實(shí)現(xiàn)了50年前就設(shè)定好了的偉大目標(biāo)：直接探測(cè)難以捕捉的事物，更好地理解宇宙，以及，在愛因斯坦廣義相對(duì)論100周年之際完美地續(xù)寫愛因斯坦的傳奇?！?/p>

——加州理工學(xué)院，LIGO天文臺(tái)的執(zhí)行官萊茲（David H. Reitze）

“這項(xiàng)探測(cè)是一個(gè)是時(shí)代的開始：引力波天文學(xué)研究領(lǐng)域現(xiàn)在終于不再是紙上談兵?！?/p>

——LSC發(fā)言人，路易斯安那州立大學(xué)物理與天文學(xué)教授岡薩雷斯（Gabriela González）

“在《星際穿越》和《三體》中，都不約而同地將引力波選為了未來科技發(fā)達(dá)的人類的通訊手段，這也許只能是美好的幻想，但對(duì)于天文研究而言，引力波的確開啟了一扇新的窗口。吹進(jìn)來的第一縷清風(fēng)，就帶來了一個(gè)重大的信息：極重的恒星級(jí)雙黑洞系統(tǒng)存在并可以在足夠短的時(shí)間（10億年）內(nèi)并合。這是讓我們始料未及的。誰能知道在將來的更多的探測(cè)中，LIGO和一眾引力波探測(cè)器能帶給我們什么樣的驚喜呢？”

—— 馬克斯·普朗克引力物理研究所、清華大學(xué)博士后，胡一鳴

“不少親朋好友問過我，你在研究些什么。我都這么回答：我們?cè)谡伊硪环N光，一旦找到，意味著人類從此有了第六感，就像有了超能力，用一雙天眼飽覽神秘宇宙中無盡的奧妙。現(xiàn)在，我們，找到了！”

—— 馬克斯·普朗克引力物理研究所博士生，明鏡?

【作者單位：1. 德國馬克斯?普朗克引力物理研究所 2. 清華大學(xué)】

（本文由《賽先生》授權(quán)轉(zhuǎn)載，圖已省略。）