第4章　引力場的漣漪——引力波

法拉第（見圖4-1）認識到，遍布于整個空間的電磁場是電磁力的載體。這個觀點改變了我們對物理世界的理解。后來，麥克斯韋用一組數學方程，闡明了法拉第的觀點，建立起電磁統一理論。這個理論告訴我們，光是電磁波，可見光也只是電磁波譜的一部分，除了可見光，還有其他頻率的電磁波。赫茲通過實驗證實了無線電波的存在，隨之而來的是收音機的發明，以及電視、雷達、手機及許多其他應用的涌現。帶電粒子（如電子）如果受到振動，就會發出電磁波。

圖4-1　印著法拉第頭像的面值20英鎊的紀念紙幣

引力場

愛因斯坦在構思他的新引力理論——廣義相對論時，打算把場的概念應用到引力上。他成功地做到了這一點。誰想到，這個場竟然就是時空本身。

在廣義相對論里，時空就好比是電磁場，物質的質量是電荷。廣義相對論預言，大質量物體在猛烈旋轉時會產生引力波，由于引力可以用時空扭曲來描述，那么引力波就是時空的漣漪（見圖4-2）。

圖4-2　雙黑洞系統發出引力波的示意圖

探測電磁波不是什么難事。每當我們睜開眼，或者打開電視、登錄無線網，甚至用微波爐熱一杯茶的時候，我們就在接收電磁波。但是，探測引力波可沒這么容易，因為引力可比電磁力微弱多了。

在我們生活的環境里，引力十分重要，這讓我們誤以為引力很強。但實際上，只有像行星那樣大的一團物質，才能產生明顯的引力效果。即便如此，一塊小小的磁鐵就能與整個地球的引力抗衡，輕而易舉地把小鐵釘吸起來。

引力是如此微弱，以至于搖晃大質量物體，也只能產生極微小的引力漣漪。只有宇宙中最暴烈的事件（比如超新星爆發、中子星碰撞、黑洞并合）產生的引力波，才有可能被我們探測到。而且，探測儀器必須非常靈敏：能夠測量相距幾千米的兩點之間距離的變化，這個變化小于質子的千分之一或原子的十億分之一。雖然這聽上去難以置信，但科學家已經造出了這樣的儀器。

探測時空漣漪

在廣義相對論問世100年后，引力波研究終于取得了第一次成功。美國科學家潛心鉆研數十載，建成了激光干涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）。LIGO由彼此相隔3000千米的兩套裝置組成，一個位于華盛頓的漢福德，另一個在路易斯安那州的利文斯頓（見圖4-3），兩套設備必須完全分隔開，才能從本地的干擾信號中辨別出真正的引力波信號。

圖4-3　美國路易斯安那州利文斯頓的LIGO裝置

兩套裝置皆呈L形，各有兩個4千米長、彼此垂直的臂，臂內保持超高真空狀態。科學家把一束激光導入分束器，由分束器把激光一分為二，分別送入兩條臂中。在臂的兩端各有一面鏡子，激光在兩面鏡子之間來回反射400次（走過1600千米）。最后，再把兩條臂中的激光合二為一。裝置經過特別設計，讓一束光的波峰正對另一束光的波谷，使兩束激光在合并后彼此抵消，如此一來，就不會有光傳到光電探測器上。當有引力波經過時，雙臂的臂長稍有改變，導致兩束激光在臂中走過的距離發生變化，光的相位也隨之偏移（幅度遠小于1個波長）。結果，兩束激光在合并時不再完全抵消，這時，就會有一部分光傳到光電探測器上（見圖4-4）。LIGO異常靈敏，因為只有如此，它才有可能探測到引力波。

圖4-4　LIGO引力波探測器示意圖。左：兩束激光完全反相，在合成一束后完全抵消。這時，不會有光傳到光電探測器上。右：臂兩端的鏡子稍稍改變位置，導致兩束激光走過的路程發生變化。如此一來，兩束激光不再完全反相，在合并后會有一部分光傳到光電探測器上

深空里的暴烈事件

LIGO的升級版——高新激光干涉引力天文臺（Advanced LIGO），在2015年9月18日投入運行。然而，就在正式投用的前4天，奇妙的事情發生了。漢福德和利文斯頓兩地的裝置在幾毫秒^[1]內，先后探測到一個相同的明確信號（見圖4-5）。

圖4-5　LIGO探測到有史以來第一個引力波信號

科學家已經研究過這種暴烈事件，并用計算機建模。所以，他們能從LIGO探測到的引力波中，辨認出事件的特征。根據計算機模型，科學家發現雙黑洞并合系統能夠持續不斷地發出引力波。整個系統也因此不斷消耗能量，致使兩個黑洞越轉越近，最終合并成一個新黑洞。在黑洞向內繞轉的最后時刻，系統發出的引力波明顯增強。新形成的黑洞一開始時極不穩定，在發出最后一陣引力波（鈴宕）后，便很快安定下來。

科學家從這第一個簡短信號里，提取出大量的信息。他們知道了這個黑洞并合事件發生在距離我們13億光年（注：光年是天文學常用的長度單位，1光年＝9.46×10¹⁵米。——譯者注）的地方。LIGO探測到的引力波正是兩個黑洞在并合前一刻以及鈴宕階段產生的。據估算，兩個黑洞的質量分別是太陽質量的29倍和36倍，并合形成的新黑洞有62倍太陽質量，而且在飛快地自轉。真正令人吃驚的是，在這場并合中，約有3倍太陽質量的物質轉化成能量，以引力波的形式釋放出來。如此巨大的能量釋放只在時空中掀起了極小的漣漪，這個時空漣漪向外擴散，傳播到13億光年外的地球。引力波雖然只是微小的時空漣漪，卻攜帶著巨大的能量。

這是人類有史以來第一次探測到雙黑洞系統，也是迄今為止最為直接的一次黑洞觀測。這次觀測還證實了引力波如預期的那樣，以光速傳播。

2017年的諾貝爾物理學獎頒給了美國物理學家基普·索恩（Kip Thorne）、巴里·巴里什（Barry Barish）和雷納·韋斯（Rainer Weiss），以表彰他們在LIGO研發中做出的決定性貢獻。引力波天文學的時代到來了。

[1] 毫秒是時間單位，1毫秒＝0.001秒。——譯者注