引力波

　　能量來(lái)源

　　廣義相對(duì)論預(yù)言下的引力波來(lái)自于宇宙間帶有強(qiáng)引力場(chǎng)的天文學(xué)或宇宙學(xué)波源，作為以波動(dòng)形式和有限速度傳播的引力場(chǎng)。按照廣義相對(duì)論，加速運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生引力波。包括銀河系內(nèi)的雙星系統(tǒng)（白矮星、中子星或黑洞等致密星體組成的雙星），河外星系內(nèi)的超大質(zhì)量黑洞的合并，脈沖星的自轉(zhuǎn)，超新星的引力坍縮，大爆炸留下的背景輻射等等。

　　愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論描述具有質(zhì)量的物體如何在時(shí)空環(huán)境下彎曲，可形象地形容為提供一張緊繃的床單，然后將足球放在床單中心，具有質(zhì)量的物體在時(shí)空下發(fā)生的彎曲，猶如足球周圍出現(xiàn)褶皺的床單。但它也像湖面上泛成的波紋，由加速物體導(dǎo)致的時(shí)空環(huán)境失真將逐漸衰減，因此，當(dāng)它們抵達(dá)地球范圍，則非常難以被探測(cè)到，但不是不可能探測(cè)到。舒茨說(shuō)：“在我的意識(shí)中，探測(cè)引力波將打開(kāi)調(diào)查宇宙的新途徑，我們期望能從合并黑洞中頻繁地探測(cè)到引力波，這里的引力波將攜帶真實(shí)可靠的信息。由于引力波是黑洞噴射的唯一放射線，我們將首次直接觀測(cè)到黑洞。”

　　歷史發(fā)展

　　間接探尋

　　20世紀(jì)60年代，美國(guó)馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家韋伯（Joseph Weber）首先提出了一種共振型引力波探測(cè)器。該探測(cè)器由多層鋁筒構(gòu)成，直徑1米，長(zhǎng)2米，質(zhì)量約1000千克，用細(xì)絲懸掛起來(lái)。當(dāng)引力波經(jīng)過(guò)圓柱時(shí)，圓柱會(huì)發(fā)生共振，進(jìn)而可以通過(guò)安裝在圓柱周圍的壓電傳感器檢測(cè)到。韋伯曾經(jīng)在相距1000千米的兩個(gè)地方同時(shí)放置了相同的探測(cè)器，只有兩個(gè)探測(cè)器同時(shí)檢測(cè)到相同的信號(hào)才被記錄下來(lái)。1968年，韋伯宣稱他探測(cè)到了引力波，立刻引起了學(xué)界的轟動(dòng)，但是后來(lái)的重復(fù)實(shí)驗(yàn)都一無(wú)所獲。

　　雖然引力輻射并未被清清楚楚地“直接”測(cè)到，然而已有顯著的“間接”證據(jù)支持它的存在。最著名的是對(duì)于脈沖星（或稱波霎）雙星系統(tǒng)PSR1913+16的觀測(cè)。這系統(tǒng)被認(rèn)為具有兩顆中子星，以極其緊密而快速的模式互相環(huán)繞對(duì)方。其并且呈現(xiàn)了漸進(jìn)式的旋近(in-spiral)，旋近時(shí)率恰好是廣義相對(duì)論所預(yù)期的值。根據(jù)廣義相對(duì)論，該雙星系統(tǒng)會(huì)以引力波的形式損失能量，軌道周期每年縮短76.5微秒，軌道半長(zhǎng)軸每年減少3.5米，預(yù)計(jì)大約經(jīng)過(guò)3億年后發(fā)生合并。對(duì)于這樣的觀測(cè)，最簡(jiǎn)單(也幾乎是廣為接受)的解釋為：廣義相對(duì)論一定是對(duì)這種系統(tǒng)的重力輻射給出了準(zhǔn)確的說(shuō)明才得以如此。

　　用激光干涉方法或許可以探測(cè)這個(gè)雙星系統(tǒng)的引力波。自1974年，泰勒（Joseph Hooton Taylor）和赫爾斯（Russell Alan Hulse）和對(duì)這個(gè)雙星系統(tǒng)的軌道進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)，在1980年，他們也是采用精密的射電儀器，由實(shí)驗(yàn)行到觀察值為（3.2±0.01）×10 ^-12，與理論計(jì)算值在誤差范圍內(nèi)正好符合。這可以說(shuō)是引力波的第一個(gè)定量證據(jù)。泰勒和赫爾斯也因這項(xiàng)工作于1993年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　2012年12月，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所湯克云研究員領(lǐng)銜的科學(xué)組，在實(shí)施多次日食期間的固體潮觀測(cè)后，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行地球固體潮公式實(shí)際上暗含著引力場(chǎng)以光速傳播的假定，從而提出用固體潮測(cè)量引力傳播速度的方法。最終獲得全球“引力場(chǎng)以光速傳播”的第一個(gè)觀測(cè)證據(jù)。

　　精確測(cè)量

　　1991年，麻省理工學(xué)院與加州理工學(xué)院在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）的資助下，開(kāi)始聯(lián)合建設(shè)“激光干涉引力波天文臺(tái)”（LIGO）。LIGO的主要部分是兩個(gè)互相垂直的干涉臂，臂長(zhǎng)均為4000米。在兩臂交會(huì)處，從激光光源發(fā)出的光束被一分為二，分別進(jìn)入互相垂直并保持超真空狀態(tài)的兩空心圓柱體內(nèi)，然后被終端的鏡面反射回原出發(fā)點(diǎn)，并在那里發(fā)生干涉。若有引力波通過(guò)，便會(huì)引起時(shí)空變形，一臂的長(zhǎng)度會(huì)略為變長(zhǎng)而另一臂的長(zhǎng)度則略為縮短，這樣就會(huì)造成光程差發(fā)生變化，因此激光干涉條紋就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。

　　LIGO 從 2003 年開(kāi)始收集數(shù)據(jù)。它是全世界最大的、靈敏度最高的引力波探測(cè)所。而全世界共有4個(gè)引力波探測(cè)器，兩個(gè)探測(cè)器部署在華盛頓州漢福德市，一個(gè)探測(cè)器部署在路易斯安那州利文斯頓市。另外一個(gè)探測(cè)器位于意大利Cascina地區(qū)，是VIRGO計(jì)劃的一部分。

　　這兩套 LIGO 干涉儀在一起工作構(gòu)成一個(gè)觀測(cè)所。這是因?yàn)榧す鈴?qiáng)度的微小變化、微弱地震和其它干擾都可能看起來(lái)像引力波信號(hào)，如果是此類干擾信號(hào)，其記錄將只出現(xiàn)在一臺(tái)干涉儀中，而真正的引力波信號(hào)則會(huì)被兩臺(tái)干涉儀同時(shí)記錄。此外，對(duì)引力波的檢測(cè)需要極其高的技術(shù)條件：比如隔離真空、隔離振動(dòng)等。隔離振動(dòng)包括外部環(huán)境致使的振動(dòng)和內(nèi)部設(shè)備引起的振動(dòng)。所以，科學(xué)家可以對(duì)二個(gè)地點(diǎn)所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得知哪個(gè)信號(hào)是噪聲。

　　直接探測(cè)

　　2016年2月11日，LIGO宣布，于2015年9月14日首次探測(cè)到引力波，證實(shí)了愛(ài)因斯坦100年前所做的預(yù)測(cè)，直接探測(cè)到引力波的存在，彌補(bǔ)了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中最后一塊缺失的“拼圖”?？茖W(xué)家花費(fèi)數(shù)個(gè)月時(shí)間驗(yàn)證數(shù)據(jù)并通過(guò)審查程序，才宣布這個(gè)訊息，標(biāo)志著全球各地研究團(tuán)隊(duì)數(shù)十年努力的最高潮。

　　能量性質(zhì)

　　引力波是橫波，在遠(yuǎn)源處為平面波；有兩個(gè)獨(dú)立的偏振態(tài)；攜帶能量等。引力波攜帶能量，應(yīng)可被探測(cè)到 。但引力波的強(qiáng)度很弱，而且，物質(zhì)對(duì)引力波的吸收效率極低，直接探測(cè)引力波極為困難。曾有人宣稱在實(shí)驗(yàn)室里探測(cè)到了引力波，但未得到公認(rèn)。天文學(xué)家通過(guò)觀測(cè)雙星軌道參數(shù)的變化來(lái)間接驗(yàn)證引力波的存在 。例如，雙星體系公轉(zhuǎn)、中子星自轉(zhuǎn)、超新星爆發(fā)，及理論預(yù)言的黑洞的形成、碰撞和捕獲物質(zhì)等過(guò)程，都能輻射較強(qiáng)的引力波。我們所預(yù)期在地球上可觀測(cè)到的最強(qiáng)引力波會(huì)來(lái)自很遠(yuǎn)且古老的事件，在這事件中大量的能量發(fā)生劇烈移動(dòng)（例子包括兩顆中子星的對(duì)撞，或兩個(gè)極重的黑洞對(duì)撞）。這樣的波動(dòng)會(huì)造成地球上各處相對(duì)距離的變動(dòng)，但這些變動(dòng)的數(shù)量級(jí)應(yīng)該頂多只有10^-21。以LIGO引力波偵測(cè)器的雙臂而言，這樣的變化小于一顆質(zhì)子直徑的千分之一。

　　觀測(cè)意義

　　引力波的觀測(cè)意義不僅在于對(duì)廣義相對(duì)論的直接驗(yàn)證，更在于它能夠提供一個(gè)觀測(cè)宇宙的新途徑，就像觀測(cè)天文學(xué)從可見(jiàn)光天文學(xué)擴(kuò)展到全波段天文學(xué)那樣極大擴(kuò)展人類的視野。英國(guó)天文物理學(xué)大師霍金表示，他相信這是科學(xué)史上重要的一刻。“引力波提供看待宇宙的嶄新方式，發(fā)現(xiàn)它們的能力，有可能使天文學(xué)起革命性的變化。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)是首度發(fā)現(xiàn)黑洞的二元系統(tǒng)，是首度觀察到黑洞融合。”

　　傳統(tǒng)的觀測(cè)天文學(xué)完全依靠對(duì)電磁輻射的探測(cè)，而引力波天文學(xué)的出現(xiàn)則標(biāo)志著觀測(cè)手段已經(jīng)開(kāi)始超越電磁相互作用的范疇，引力波觀測(cè)將揭示關(guān)于恒星、星系以及宇宙更多前所未知的信息。

　　因?yàn)橐Σㄖ苯勇?lián)系著波源整體的宏觀運(yùn)動(dòng)，而非如電磁波那樣來(lái)自單個(gè)原子或電子的運(yùn)動(dòng)的疊加，因此引力輻射所揭示的信息與電磁輻射觀測(cè)到的完全不同。例如對(duì)一個(gè)雙星系統(tǒng)觀測(cè)到的引力波的偏振揭示了其雙星軌道的傾斜度，這類關(guān)于波源運(yùn)動(dòng)的宏觀信息通常無(wú)法從電磁輻射觀測(cè)中取得。

　　如果比較波長(zhǎng)與波源尺寸的關(guān)系，宇宙間的引力波并不像電磁波那樣波長(zhǎng)比波源尺寸小很多，這使得引力波天文學(xué)通常不能像電磁波天文學(xué)那樣對(duì)波源進(jìn)行拍照成相，而是類似聲波直接從波形分析波源的性質(zhì)。 大多數(shù)引力波源很難或根本無(wú)法通過(guò)電磁輻射直接觀測(cè)到（例如黑洞），這個(gè)事實(shí)反過(guò)來(lái)也成立；考慮到一般認(rèn)為宇宙間不發(fā)射任何電磁波的暗物質(zhì)所占比例要遠(yuǎn)大于發(fā)射電磁波的已知物質(zhì)，暗物質(zhì)與外界的唯一相互作用即是引力相互作用，引力波天文學(xué)對(duì)這些暗物質(zhì)的觀測(cè)具有重要意義。

　　引力波與物質(zhì)的相互作用非常弱，在傳播途徑中基本不會(huì)像電磁波那樣容易發(fā)生衰減或散射，這意味著它們可以揭示一些宇宙角落深處的信息，例如宇宙誕生時(shí)形成的引力輻射至今仍然在宇宙間幾乎無(wú)衰減地傳播，這為直接觀測(cè)大爆炸提供了僅有的可能。