引力波：探索宇宙奧秘的新窗口

符長(zhǎng)波

2017年10月3日，瑞典皇家科學(xué)院宣布授予Rainer Weiss，Barry C. Barish和Kip S. Thorne 2017年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們?cè)凇癓IGO探測(cè)器和引力波觀測(cè)中的決定性貢獻(xiàn)”。Rainer Weiss出生在德國(guó)，現(xiàn)為美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）物理學(xué)教授。Barry C.Barish和Kip S. Thorne現(xiàn)為美國(guó)加州理工學(xué)院物理學(xué)教授。

1 時(shí)空自身的“地震”

100多年前，愛(ài)因斯坦創(chuàng)立的狹義和廣義相對(duì)論，徹底地改變了人類對(duì)時(shí)空的認(rèn)識(shí)：時(shí)間和空間不再是過(guò)去認(rèn)為的那樣是分離的兩個(gè)對(duì)象，也不再靜止不變，而是其自身也可以運(yùn)動(dòng)起來(lái)，表現(xiàn)出時(shí)空彎曲和引力波等種種現(xiàn)象。

描述運(yùn)動(dòng)，需要時(shí)空這個(gè)框架，即時(shí)空是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的舞臺(tái)。而引力波可以說(shuō)是時(shí)空舞臺(tái)本身的運(yùn)動(dòng)。日常大家可能看到過(guò)這樣的場(chǎng)面，兩個(gè)花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員在冰面上繞彼此旋轉(zhuǎn)，隨著彼此靠的越來(lái)越近，由于體系角動(dòng)量守恒的緣故，他們的旋轉(zhuǎn)速度會(huì)越來(lái)越大。假若他們不是站在結(jié)實(shí)的冰面上，而是在橡皮膜上做上述動(dòng)作，情況會(huì)怎么樣呢？橡皮膜會(huì)由于二者的體重而塌陷，改變其形狀。二人繞彼此旋轉(zhuǎn)時(shí)，也會(huì)同時(shí)帶動(dòng)橡皮膜本身震動(dòng)，而這種震動(dòng)會(huì)以波的形式傳播到遠(yuǎn)方，被遠(yuǎn)方橡皮膜上的比如一只小螞蟻感受到。在現(xiàn)實(shí)的宇宙中，如果大塊頭的運(yùn)動(dòng)員，比如中子星或黑洞，在運(yùn)動(dòng)時(shí)，時(shí)空這個(gè)舞臺(tái)不再是那么剛性，而是如橡皮膜一樣被扭曲，引起時(shí)空的“地震”。如果“地震”足夠大，且離地球足夠的近，我們?nèi)祟愋∥浵伨陀型兄竭@種震動(dòng)。

但是，通常情況下，一方面發(fā)生這種大的“地震”的概率很?。涣硪环矫?，震源離地球非常遠(yuǎn)，使得這種“地震”的幅度異乎尋常的小，使得地球上探測(cè)引力波非常困難。假若兩個(gè)約30倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞互相旋繞，彼此距離350 km。開(kāi)始時(shí)二者以每秒轉(zhuǎn)75圈，隨后二者會(huì)螺旋式地越轉(zhuǎn)越近，而且越近轉(zhuǎn)得越快，并最終合并為一體。這個(gè)質(zhì)量龐大，速度是與光速比擬的巨無(wú)霸，對(duì)時(shí)空舞臺(tái)的擾動(dòng)，在事發(fā)地看來(lái)，無(wú)疑是非常巨大的。但如果傳到10億光年外的地球，它的影響就微乎其微了，它所引起的太陽(yáng)到地球之間距離的變化，僅僅有約一個(gè)原子直徑大小。

2 理論到實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的百年歷程

不知對(duì)人類來(lái)說(shuō)是幸運(yùn)還是不幸運(yùn)，這種“時(shí)空地震”引力波是如此的微弱和稀有，以至于人類花了半個(gè)多世紀(jì)才得以目睹引力波真容。

探測(cè)引力波的嘗試，始于20世紀(jì)60年代。美國(guó)物理學(xué)家約瑟夫-韋伯（Joseph Weber）利用類似音叉的原理，來(lái)測(cè)量金屬鋁圓柱體和引力波特定頻率的共振。他聲稱觀測(cè)到了引力波?？墒怯捎谒膶?shí)驗(yàn)沒(méi)能被其他物理學(xué)家重復(fù)，且數(shù)據(jù)分析存在缺陷，因此其結(jié)果不為大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)可。1962年，蘇聯(lián)的科學(xué)家Gertsenshtein和Pustovoit提出，利用激光干涉儀探測(cè)引力波。隨后幾十年里，這個(gè)實(shí)驗(yàn)方案一直沿用和發(fā)展。1967年，MIT的物理學(xué)家Rainer Weiss，造出了第一個(gè)1 m長(zhǎng)的引力波激光干涉儀原型（https://www.ligo.caltech.edu/system/media_files/binaries/313/original/LIGO History.pdf），并在其后的工作中，確立了各種降低實(shí)驗(yàn)噪聲的技術(shù)路線，包括地震、熱噪聲、引力梯度、真空熱梯度、地磁等。Weiss的開(kāi)創(chuàng)性工作，為他贏得了2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此外，這一時(shí)期加州理工學(xué)院（Caltech）的Kip Thorne也開(kāi)始對(duì)引力波進(jìn)行了深入的理論探索，包括預(yù)言各種引力波源的信號(hào)以及如何分析其實(shí)驗(yàn)信號(hào)。這些研究表明引力波的探測(cè)是可行的，給后續(xù)引力波實(shí)驗(yàn)增加了信心，Kip Thorne也因此被授予2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

進(jìn)入20世紀(jì)80年代，MIT研究組在美國(guó)自然科學(xué)基金會(huì)（NSF）的資助下，開(kāi)始研究千米級(jí)長(zhǎng)度的引力波干涉儀的可能性。研究藍(lán)皮書(shū)（https://dcc.ligo.org/public/0028/T830001/000/NSF_bluebook_1983.pdf）表明千米級(jí)探測(cè)器實(shí)踐上是可行的，能達(dá)到所需精度，同時(shí)也建議建造相距幾千km的兩個(gè)5 km長(zhǎng)的干涉儀。加州理工學(xué)院隨后也建立了40 m長(zhǎng)的原型機(jī)。1984年，LIGO（laser interferometer gravitational wave observatory）項(xiàng)目籌建工作正式開(kāi)始。經(jīng)過(guò)多年反復(fù)的申請(qǐng)、被拒、再申請(qǐng)、再被拒的過(guò)程，終于在1991年得到了NSF的資助，正式開(kāi)始了LIGO建設(shè)。LIGO一共有兩個(gè)探測(cè)器，相距3002 km，分別位于美國(guó)路易斯安那州和華盛頓州。1994年，Barry C. Barish出任主任，其出色的領(lǐng)導(dǎo)工作為他贏得了2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。然而第一代的LIGO建成后并未探測(cè)到引力波信號(hào)，因此于2008年又開(kāi)始了升級(jí)計(jì)劃，即Advanced LIGO，并于2015年完成了升級(jí)改造，探測(cè)靈敏度提高了10倍。與LIGO同時(shí)期建造的引力波探測(cè)器還有VIRGO，它位于意大利比薩市，1996年開(kāi)始建造，并于2003完成并運(yùn)行，2016年完成升級(jí)到第二代（Adv-VIRGO），使得靈敏度提高了約一個(gè)量級(jí)。

在LIGO升級(jí)后的第一次科學(xué)運(yùn)行時(shí)，也就是2015年9月，幸運(yùn)之神就降落了，它發(fā)現(xiàn)了人類歷史上第一例被直接探測(cè)到的引力波事件。緊接著在2015年12月又探測(cè)到了第二例信號(hào)。又過(guò)了約一年，2017年1月4日，測(cè)到了第三例信號(hào)，并且這次是LIGO的兩個(gè)探測(cè)器同時(shí)探測(cè)到了信號(hào)。2017年8月4日，引力波再次光臨地球，這次不但被兩臺(tái)LIGO記錄到，也同時(shí)被位于意大利的VIRGO探測(cè)器記錄，這是人類記錄到的第4次引力波事件。LIGO和VIRGO探測(cè)器的配合，實(shí)現(xiàn)了引力波探測(cè)器觀測(cè)的網(wǎng)絡(luò)化——盡管是小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)化，對(duì)引力波的來(lái)源方位定位也更加精準(zhǔn)。

2017年8月17日，LIGOVIRGO組合又觀測(cè)到了中子星合并的引力波事件。在LIGO-VIRGO給出引力波“警報(bào)”后，全球數(shù)十臺(tái)天文望遠(yuǎn)鏡，包括中國(guó)的“慧眼”X射線衛(wèi)星，也開(kāi)始在不同波段尋找并記錄對(duì)應(yīng)的電磁信號(hào)。這是人類觀測(cè)到的第5次引力波信號(hào)，第一次中子星合并引力波信號(hào)，第一次實(shí)現(xiàn)引力波和電磁波信號(hào)的同時(shí)觀測(cè)。

也許對(duì)于第一二次引力波信號(hào)，一些科學(xué)家對(duì)其真實(shí)性仍心存疑慮，畢竟引力波信號(hào)實(shí)在太小了，但第三四五次信號(hào)，徹底證明：引力波，經(jīng)過(guò)百年的期盼，長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)的努力，確確實(shí)實(shí)地被捕捉到了！從1916年愛(ài)因斯坦正式發(fā)表廣義相對(duì)論到2015年觀測(cè)到引力波，這個(gè)歷時(shí)百年的探索成功來(lái)之不易，包含著無(wú)數(shù)人的辛勤汗水。僅就LIGO項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，就有來(lái)自20多個(gè)國(guó)家的千余一流科學(xué)家。從第一個(gè)探測(cè)原型樣機(jī)到現(xiàn)在已經(jīng)超過(guò)50年了。

3 引力波探測(cè)的關(guān)鍵性技術(shù)

引力波探測(cè)儀是放大版的邁克爾遜干涉儀，主要由兩個(gè)互相垂直的長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米的臂、穿梭于兩臂的激光和反光鏡構(gòu)成。引力波到來(lái)時(shí)，會(huì)引起兩臂長(zhǎng)度細(xì)微變化。但由于變化實(shí)在是太小了，如何提高靈敏度，排除各種噪聲信號(hào)是關(guān)鍵。

其中外部噪聲包括如微地震、周圍汽車乃至人走路引起的振動(dòng)等。對(duì)于外部噪聲采用多級(jí)減震的方式。首先是進(jìn)行主動(dòng)減震：實(shí)驗(yàn)儀器平臺(tái)并不直接放在地面，而是放在一個(gè)可移動(dòng)的平臺(tái)上。當(dāng)檢測(cè)到實(shí)驗(yàn)室地面移動(dòng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)會(huì)被驅(qū)動(dòng)向相反的方向移動(dòng)，從而補(bǔ)償了來(lái)自地面的移動(dòng)。除此之外，還要采取懸掛式被動(dòng)減震。被動(dòng)減震類似于：手中拿一根線，下端懸掛一重物，當(dāng)手移動(dòng)緩慢時(shí)，重物會(huì)跟著手移動(dòng)；但如果手來(lái)回晃動(dòng)頻率較高時(shí)，重物的移動(dòng)幅度會(huì)大大小于手移動(dòng)的幅度，從而實(shí)現(xiàn)被動(dòng)減震的目的。干涉儀的鏡子用0.4 mm的石英玻璃線，一級(jí)級(jí)地懸掛在前一級(jí)的架子上。這樣的懸掛一共有4級(jí)，通過(guò)多級(jí)隔離達(dá)到減震目的。

實(shí)驗(yàn)儀器內(nèi)部也有很多地方帶來(lái)噪聲，比如：空氣對(duì)激光的散射、激光光壓等。因此，激光的路徑上必須抽成超高真空，以減少空氣散射帶來(lái)的噪聲。當(dāng)激光打到反射鏡面上時(shí)，會(huì)對(duì)鏡面產(chǎn)生壓力（即光壓），光壓會(huì)引起鏡面的微小震動(dòng)，這也是重要的噪聲來(lái)源。對(duì)于這個(gè)噪聲來(lái)源，也采取了主動(dòng)消除的辦法。其原理就是常見(jiàn)的阻尼震蕩。給鏡子施加一個(gè)阻尼力，即與其速度成正比、方向相反的力。當(dāng)調(diào)整至臨界阻尼時(shí)，鏡子的震動(dòng)會(huì)很好地消除，保持平衡狀態(tài)。鏡子的震動(dòng)如果用熱學(xué)溫度概念描述的話，僅有等效于1.4 μK。

除此之外，還有很多其他技術(shù)，用于提高探測(cè)靈敏度、降低噪聲。如光復(fù)用技術(shù)，即讓光在懸臂之間來(lái)回運(yùn)動(dòng)多次，這樣增加了等效運(yùn)動(dòng)距離，減少了驅(qū)動(dòng)激光的總功率。用純度非常高的石英玻璃做光學(xué)器件，以保障高的透光率；器件加工精度非常高，誤差都控制在幾個(gè)原子厚度。盡管LIGO等可以探測(cè)到小到不可思議的距離變化。但細(xì)究其中的技術(shù)細(xì)節(jié)，卻可以甚至用老技術(shù)來(lái)形容。但是，就是因?yàn)榘褳閿?shù)眾多的老技術(shù)都做到了極致，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)不可思議的微小位移的探測(cè)。

4 人類認(rèn)識(shí)宇宙的新機(jī)遇

引力波觀測(cè)的實(shí)現(xiàn)，無(wú)疑是人類認(rèn)識(shí)自然的里程碑事件。人類從史前開(kāi)始，就對(duì)浩瀚的宇宙有與生俱來(lái)的好奇與敬畏。但人類至今還邁不出太陽(yáng)系，只能靠光子、宇宙射線粒子等信使來(lái)認(rèn)識(shí)宇宙。長(zhǎng)久以來(lái)，可見(jiàn)光范圍的光子是宇宙?zhèn)鬟f到地球的唯一信使，直到近代才擴(kuò)展到X光、伽馬光的范圍。另外宇宙射線粒子，包括電子、質(zhì)子和其對(duì)應(yīng)反物質(zhì)，乃至中微子都在近代得到了發(fā)展。而引力波，為人類打開(kāi)一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)宇宙之窗。也正是因?yàn)槿绱耍Σㄌ綔y(cè)很快地被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。正如諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)在其物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)新聞中所說(shuō)：“各種電磁輻射、宇宙射線和中微子等，已經(jīng)被用于宇宙探測(cè)。但是，引力波是對(duì)時(shí)空扭曲擾動(dòng)的直接證明。它是一個(gè)全新的、完全不同的東西，為我們打開(kāi)了未知的世界。如果誰(shuí)能在后續(xù)捕獲并解釋引力波，那么等待他的將是大量的全新發(fā)現(xiàn)”。

事實(shí)上，國(guó)際上除了在運(yùn)行的LIGO和VIRGO引力波探測(cè)器外，還有大量其他在建或計(jì)劃中的引力波探測(cè)項(xiàng)目，包括：日本的KAGRA，美國(guó)和印度的LIGO-印度，歐洲的愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡，激光干涉太空天線（LISA），以及中國(guó)的天琴計(jì)劃、太極計(jì)劃和阿里計(jì)劃等。這些新的引力波探測(cè)項(xiàng)目，必將為人類展示更為清晰的宇宙畫(huà)卷！■