波之戀（下）

似曾相見不相識，相識尚需更相知。

相知生情苦相覓，覓得芳蹤情更癡。

甘本祓老師

◆ 相知

按說，人們對“引力”二字并不陌生，早在17世紀，物理祖師爺牛頓就已講過，那就是連小學生都知道的萬有引力定律。且不論是否因為蘋果掉下來砸了牛頓的頭，才促使他思考，但人們卻早已形成共識：人之所以能站在地球上、而沒有被拋上天，就是地心引力的功勞?？墒牵^了300多年，在“引力”之后，又加上一個“波”字，為什么人們就如此驚艷呢？

? “引力之父”牛頓 ?

這事，歸根到底都是因為愛因斯坦的“異想天開”所致。想當初，在瑞士首都伯爾尼的國家專利局，擔任三級技術(shù)員的毛頭小伙（26歲）愛因斯坦，敢于挑戰(zhàn)權(quán)威、大膽創(chuàng)新，于1905年發(fā)表了狹義相對論，推翻了絕對空間、絕對時間、質(zhì)量與能量無關(guān)以及以太說等經(jīng)典物理學的一系列舊觀念，建立了現(xiàn)代物理學的一系列新觀念。但卻留了一個引力問題懸而未決。于是，他又“十年磨一劍”，于1915年發(fā)表了廣義相對論，推出了引力場方程，建立了引力的新觀念。這個新觀念的核心，就是把引力用時空彎曲來解釋。例如，地球圍繞太陽轉(zhuǎn)，是因為太陽的巨大質(zhì)量，使太陽周圍的時空發(fā)生了彎曲。

? “引力波之父” 愛因斯坦

1916年6月，愛因斯坦在《普魯士科學院會刊》（物理數(shù)學卷）上發(fā)表文章，預言了引力波的存在。1918年2月，愛因斯坦又在該刊發(fā)表文章，進一步闡述了他的引力波觀點。那么，什么是引力波呢？既然廣義相對論認為：引力是時空彎曲。那么，引力波，當然就是彎曲時空的波動。由于這種波動相對較弱，因此科學家把它稱為“時空漣漪”，英文為“ripples of space-time”。

可是，時空又怎么會起漣漪呢？廣義相對論認為，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)量分布變化時，特別是大質(zhì)量天體作加速運動或致密雙星系統(tǒng)在相互旋近與合并的過程中時，都會明顯地擾動彎曲的時空，激起時空漣漪，亦即產(chǎn)生引力波。

如此說來，引力波真是無處不在，連我們自己舉手投足之際，都會有引力波產(chǎn)生，只不過太微不足道罷了。只有宇宙中的那些龐然大物激發(fā)出的引力波，才能驚天動地。即使如此，宇宙中一直有各種引力波向我們傳來，但古往今來，我們卻對之“視而不見”“充耳不聞”……

為什么？因為根本沒人知道還有這么一回事！這點和電磁波的歷史倒是頗為相似。想當初，沒人知道有電磁波，全靠有個名叫麥克斯韋的英國人，歸納前人電磁學的研究成果，加上自己的創(chuàng)新，推演出了一組方程，后人稱之為“麥克斯韋方程組”，他從理論上預言了電磁波，而且認定光波也是電磁波。

引力波的遭遇也與之類似。幸虧出了個愛因斯坦，用他推演出的引力場方程，算出了這個無人知曉的引力波！按照他的說法，引力波雖然也算是一種機械波，但她們卻不像聲波。聲波要靠介質(zhì)（例如空氣或水）傳播，而且速度不快。引力波則可在真空中傳播，而且速度等于光速，這點倒是很像光波，但是她又與可見光波不同，她“看”不見，只能靠“聽”。而且引力波與光波以及所有電磁波不同的是，她在傳播過程中不會與其他物質(zhì)發(fā)生作用，因而可以不受影響地傳播。一句話總結(jié)，她是一種既不同于一般機械波，又不同于電磁波的嶄新的波！

◆ 苦戀

千百年來，人類曾是靠肉眼仰望星空、幻夢宇宙。后來，發(fā)明了可見光望遠鏡、建立了光學天文臺。再后來，又發(fā)明了射電望遠鏡、發(fā)展了航天技術(shù)，從而可以在地面和天空建設臺站，更全面地觀測和研究宇宙。但歸根結(jié)底，這一切手段都是靠電磁波（包括光波）來實現(xiàn)。如今，突然別有洞天！

如果真如愛因斯坦所預言，宇宙中還有引力波，這不僅證實了廣義相對論的正確，使人類能建立起更為科學的宇宙觀，而且在電磁波之外，又開辟了一個觀測宇宙的新途徑。例如像黑洞、暗物質(zhì)、暗能量等（有人風趣地稱之為宇宙的“黑暗面”）這樣一些人們還知之甚少、而電磁波又使不上勁的探測，就可以靠引力波來實現(xiàn)了。這將大大提高人類研究宇宙的能力，一個新的學科：引力波天文學亦將應運而生！這是多么誘人的前景?。∮谑?，許多人從那時開始，就癡迷地去尋覓那令人心儀的引力波“美人”。但是，說者容易做者難，真是一場苦戀……

任何新事物，起初總是相信的人少，懷疑的人多。這中間，連愛因斯坦自己也曾有過動搖。緊接著，第二次世界大戰(zhàn)打起來了，無論是相信的人還是懷疑的人，也都顧不上引力波了。與之相反，對電磁波的研究和應用卻突飛猛進。通信、雷達、導航、電子對抗等技術(shù)在戰(zhàn)爭的迫切需求下，得到極大的發(fā)展，一直到今天把人類送進了信息社會。

而對于引力波，仍是有人在苦戀。早期，引力波的鐵桿粉絲中，最直得稱贊的有兩個人：一個是美國馬里蘭大學的教授韋伯（Joseph Weber），另一個則是中國中山大學的副教授陳嘉言。

在美國，韋伯被譽為“引力波檢測第一人”，他設計了一種用聲學共振的原理來直接探測引力波的設備，那是一個鋁質(zhì)圓柱。韋伯認為，當引力波的頻率與該圓柱的本征頻率一致時，會產(chǎn)生共振，從而測得引力波，故名“共振棒”（也稱為“韋伯棒”）。為了避免其他振動對探測儀的影響，也為了測得引力波的方向，他將共振棒懸掛起來，并在相距1000千米的兩處各懸掛一個，當兩個同時檢測到時才算數(shù)。他曾在1969年宣布，用它探測到了引力波，引起一陣轟動，卻無法重復和核實。而在中國，陳嘉言被譽為“引力物理研究的鋪路人”。從1973年起，以他為代表的中山大學和中國科學院的一些學者，就開始研究和建造自己的共振棒探測儀。陳嘉言還為中國的引力波探測事業(yè)獻出了生命，終年46歲。

韋伯和他的“韋伯棒”?

眼看半個多世紀過去了，兩位癡情的先驅(qū)都已辭世，仍然未覓得引力波的芳蹤。是放棄還是繼續(xù)？考驗著人們的勇氣和毅力。人們決心沿著兩條路繼續(xù)去探尋。一條是尋覓間接證明引力波存在的例證;另一條是研究新的、更精密有效的直接探測儀器。

◆ 良辰

1993年2月10日，有兩個美國人進入華麗的斯德哥爾摩音樂廳，在樂聲和掌聲中，從瑞典國王手中，接過了該年度的諾貝爾物理學獎。他們是誰？又因何獲此殊榮？

? 赫爾斯（左）和泰勒慶祝獲獎

他們，就是普林斯頓大學等離子體物理實驗室的天體物理學家赫爾斯（Russell A. Hulse）和他的導師泰勒（Joseph H. Taylor Jr.）。赫爾斯于1974年，用設于波多黎各的阿雷西博射電望遠鏡，發(fā)現(xiàn)在天鷹座天域有周期性脈沖信號輻射，脈沖周期為59毫秒。經(jīng)他們研究確定，這是顆脈沖雙星（Binary Pulsar），這也是人類第一次發(fā)現(xiàn)的脈沖雙星，故被命名為“赫爾斯-泰勒脈沖雙星”。其主星和伴星均為中子星，質(zhì)量分別為1.44倍和1.39倍太陽質(zhì)量，兩星距離最近時為1.1倍太陽直徑，最遠時為4.8倍太陽直徑。它們圍繞共同的質(zhì)心轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)周期約為7.75小時。經(jīng)過長期跟蹤觀測，他們還發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象：其軌道周期呈變小趨勢，每年減少76.5微秒。

這是為什么呢？經(jīng)反復研究，他們認為，這種質(zhì)量密度很大的雙星系統(tǒng)，在旋近的過程中，會以引力波輻射形式損失能量，從而造成兩星逐漸接近，軌道周期也會發(fā)生衰減。于是，他們用廣義相對論進行核算，得出的結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合。這也就間接證明了引力波的存在。

哈！這可是人類歷史上第一次尋覓到了引力波“美女”的芳蹤！于是，諾貝爾評委會的專家們決心要好好獎勵一下這兩位能人。這，就是1993年的諾貝爾物理學獎。

間接證明已獲獎，那直接證明怎么辦？有兩位引力波鐵桿粉絲，決心要在地球上直接探測到引力波，這兩個人，就是麻省理工學院教授韋斯（Rainer Weiss）和加州理工學院教授索恩（Kip Thorne）。正是韋斯提出了用類似米切爾森干涉儀的光學方法，提議建設激光干涉引力波天文臺（LIGO）來直接探測引力波。當激光被分束器分成兩束后，會沿干涉儀相互垂直而等長的兩臂傳播，再經(jīng)兩臂末端懸掛的反射鏡反射回來，再次相遇，從而產(chǎn)生干涉，形成干涉條紋。這時候，當兩邊光程相同時，會呈亮紋;若光程差半個波長時，則會互相抵消呈暗紋狀。正因如此，當引力波來時，兩臂的鏡子受震不同，這時，激光束在兩臂中走的光程就會發(fā)生差異，即干涉條紋受干擾而變動，科學家就是利用這個激光干涉原理，從而探測到了引力波。

兩位LIGO創(chuàng)始人韋斯（左）和索恩

當然，為了提高精度，科學家們會讓激光束在臂中多次反射，這樣，使光子的有效光程可達臂長的幾百倍。例如，后來按此原理建成的激光干涉引力波天文臺（LIGO），兩臂長度雖然只有4千米，卻可以達到10的負21次方的測距精度。形象說來，它甚至可以測得一個質(zhì)子直徑千分之一大小的微小距離，或者說，可以“聽”到千億分之一英尺（1英尺≈0.3048米）的微小振動。所以，它是當今世界上最精密的光學儀器哦！

而加州理工學院的索恩，更是個引力波迷。他不僅是當今世界研究廣義相對論和宇宙學的領(lǐng)軍人物之一，而且酷愛創(chuàng)作。他的名著《黑洞與時間彎曲：愛因斯坦的幽靈》已培養(yǎng)了不少粉絲，而他參與拍攝的好萊塢科幻大片《星際穿越》，又迷倒不少觀眾。

正是韋斯和索恩牽頭，使麻省理工與加州理工兩大名校的科學家們聯(lián)手完善了用激光干涉原理探測引力波的方案，解決了一系列引力波探測的理論和實際問題，促成了LIGO的誕生。在建設時，他們又得到了加州理工學院的實驗物理學家德萊弗（Ronald Drever）的鼎力相助，他是提高探測儀性能的關(guān)鍵人物。有人預測，如果也為這項成果發(fā)一個諾貝爾獎的話，他們3人應當是最佳人選。也正是他們，感動了美國國家科學基金會和美國國會，才能有大量的資金投入到這項“不知何日君才來”的苦戀之中！

功夫不負有心人，愛因斯坦廣義相對論發(fā)表100周年紀念剛過，他們終于美夢成真！2016年2月11日，韋斯和索恩在新聞發(fā)布會上相擁歡慶，全世界都在為之喝彩！

愛因斯坦與引力波的烏龍事TIPS

雖然愛因斯坦在百年之前就曾預言宇宙中存在引力波，但是他也認為，從宇宙中傳到地球的引力波很微弱，因而對是否能探測到引力波沒有信心。1936年6月，他與同在美國普林斯頓高等研究院的年輕學者羅森（Nathan Rosen）合寫了一篇文章，投給美國物理學會的會刊《物理評論》，標題為《引力波存在嗎？》，而結(jié)論竟然是不存在！后來，經(jīng)過他人提醒和自己的進一步思考，他們才于次年修正了這一誤解。

一對姐妹花，可愛又奇葩。練成真功夫，服務你我他。

大姐電磁波，麥爺引薦來。小妹引力波，愛伯介紹她。

神秘大宇宙，傳訊靠她倆。大姐亮風采，妹說悄悄話。

（甘老師告訴小e：在寫完本文時，他問了自己一個問題：“引力波事件究竟有什么啟示？”他思索良久，似有所悟。正是一般創(chuàng)新突破一點，基礎創(chuàng)新引領(lǐng)一片，癡迷情懷支撐創(chuàng)新，創(chuàng)新之路絕不平坦。）。

小e提示

在甘老師新著《硅谷啟示錄2：怦然心動》（科學普及出版社2015年7月第1版）中，關(guān)于愛因斯坦相對論和引力波探測等內(nèi)容還有更加生動詳實的介紹，感興趣的讀者可以繼續(xù)挖掘哦！