两年后即获诺奖！虽然快，但引力波探测众望所归
2017年的诺贝尔物理学奖终于在北京时间10月3日下午5点45分尘埃落定，瑞典皇家科学院决定将物理学奖颁发给Rainer Weiss(莱纳·魏斯)、Kip Thorne(基普·索恩)以及Barry Barish(巴里·巴里什)三位科学家，以表彰他们“对LIGO探测器以及首次观测到引力波做出的决定性贡献(for decisive contributions to the LIGO detector and the observation of gravitational waves)”。
其中，Rainer Weiss分享一半的奖金，另外两位科学家分享剩下的一半奖金。
在我们的固有印象中，一个发现/成果从出来，到获得诺奖，往往中间隔着很长时间，每位得奖人都想唱那句“等了好久才等到今天”。而自2015年9月14日LIGO宣布首次探测到引力波，时间仅仅过去两年，可以说是最快获得诺贝尔奖的物理学发现之一。不过这也更加说明了这一发现的重要性，和它获奖的众望所归。
图1
LIGO凭什么获奖
一百年前，爱因斯坦根据广义相对论求解场方程得到波的解，预言了引力波的存在。
一百年后的2015年9月14日，LIGO宣布首次观测到引力波。
此次引力波来自13亿光年以外的两个黑洞的碰撞融合，从引力波产生到被地球上位于美国的LIGO探测器检测到，引力波走了约13亿年的时间，真正可谓是“穿越时空的相遇”。
虽然引力波到达地球已经变得非常微弱，但是这一发现却开启了天体物理和宇宙学的重大革命。引力波以一种全新的方式展示了宇宙中的剧烈的天体变化，对我们已有的知识边界是一个全新的挑战。
LIGO(the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,激光干涉仪引力波观测天文台)是一个由超过20个国家的上千名研究人员所组成的合作组。在这些研究者的共同努力下，该计划成功得走过了将近50年。2017年的诺贝尔物理学奖的桂冠，属于这些对科学充满热情、毅力以及创造力的科学家。
其中，Rainer Weiss(莱纳·魏斯)、Kip Thorne(基普·索恩)以及Barry Barish(巴里·巴里什)这三位先驱者的贡献格外突出，正是在他们的领导之下，才保证了LIGO计划超过四十年的运行完成，并最终成功观测到引力波。
早在20世纪70年代中期,Rainer Weiss就分析了在探测引力波的过程中可能受到的宇宙背景噪声的干扰,并且设计了一台激光干涉仪探测器,用以消除噪声。而更早的时候, Kip Thorne和Rainer Weiss就坚持认为引力波一定能够被探测到,并且会给我们现有的宇宙学知识带来革命。
在爱因斯坦的广义相对论的描述中,引力波以光速在宇宙中传播。非球对称的超大质量天体在加速运动下或者大质量体系的质量分布发生变化时就会产生引力波，比如遥远星系的恒星的爆炸或者一对黑洞相互绕转碰撞融合这样极其剧烈的天体物理过程。
在引力波传播的过程中,四维时空会在其作用下轻微扰动，引力波的本质是时空曲率的波动, 就像鹅卵石扔进池塘里激起的涟漪一样,因此引力波也被称为“时空的涟漪”。
图2 第一个被探测到的引力波信号
由于引力波传到地球后引起的空间畸变非常微小,有人做过形象的比喻,好比是测量10光年以外的恒星的确切距离,要求达到的精度是头发丝的直径大小,也就是说在10光年这么远的时空范围内,引力波引起的空间拉伸或者压缩只有头发丝的直径大小。
因此,就连爱因斯坦本人都坚信永远也不可能探测到引力波。而LIGO却做到了！
LIGO实验组用一对非常巨大的激光干涉仪,成功检测到了当引力波经过地球时所引起的不足原子核大小的千分之一的空间畸变。
到目前为止,人类使用各种手段来探测宇宙中的电磁波和粒子,比如各种宇宙射线以及中微子,以此来探索宇宙的奥秘。而引力波的探测是直接探测时空本身的扰动。这是天体物理和宇宙学研究的革命性变化,将为我们带来更多来自宇宙的讯息,为我们带来全新的宇宙观。
引力波的前世今生
1915年，36岁的爱因斯坦(Albert Einstein,1879.3.14-1955.4.18)建立场方程，发表广义相对论。
牛顿的引力理论是建立在绝对时空观基础上的，广义相对论则建立在四维时空观上，引力是物体质量对于周围时空产生影响的自然结果。
1916年，卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)找到了引力场方程的一个解，后来被用来解释黑洞。
黑洞是质量巨大的天体，任何靠近它的物体都会被吞噬掉，甚至是光线经过也会被吞噬，所以黑洞不会发光，我们“看不到”。
1916年，爱因斯坦本人找到了场方程的一个波的解，预言了引力波的存在。
广义相对论认为,时空是可以弯曲的，物体的质量会造成其周围时空的弯曲，质量越大，时空弯曲程度也越大，但是只有在特别大质量的物体周围才会产生比较明显的时空弯曲。
比如恒星发出的电磁波在经过太阳的时候会发生小角度的弯折，这就是一个时空在大质量物体周围发生弯曲的例子；质量分布非球对称的物体在加速运动时，或者体系质量发生变化时，也会产生引力波，比如遥远星系的恒星的爆炸或者一对黑洞相互绕转碰撞融合这样极其剧烈的天体物理过程。
产生的引力波传播，就是时空曲率波动的传播。这一时空的畸变，从产生源头以光速向外传播。原则上讲，只要探测器足够灵敏，当引力波到达地球时就能够被探测到。
但是，引力波引起的可探测的效应实在是太微弱了！
因此，爱因斯坦本人认为，引力辐射永远也不可能被直接探测到。
和他同时代的物理学家亚瑟·爱丁顿(Arthur Eddington,1882.12.28－1944.11.22)虽然是广义相对论的坚定支持者，并在1919年的日食中首次测定了光线经过太阳时的偏折，从而证明了广义相对论的正确性，却一直十分怀疑引力波的存在，并且指出引力波似乎是“以思维的速度在传播(to propagate at the speed of thought)”，
图3 左：1921年的爱因斯坦；右：1919年爱丁顿拍摄日食照片
在过去的六十多年中，许多物理学家为了探测和证明引力波的存在而做出巨大的努力，并且率先找到了引力波存在的间接证据。
1974年，美国天文学家约瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)和拉塞尔·赫尔斯(Russell Hulse)利用大型射电望远镜观测到了一对极致密的天体系统——脉冲双星系统PSR1913+16。
他们观测到，系统中的双星绕质心转速在加快，并且不断丢失能量，轨道半长轴不断缩短，靠得越来越近。而PSR1913+16的能量随时间丢失的大小和利用引力波辐射计算得到的能量丢失的结果一致。
Joseph Taylor和Russell Hulse于1993年获得诺贝尔物理学奖，获奖的理由是“由于其发现了一种新型脉冲星，这一发现开启了研究引力作用的新的可能性(for the discovery of a new type of pulsar, a discovery that has opened up new possibilities for the study of gravitation)”。这也是很多人说今年是“引力波第二次获奖”的原因。
然而，间接证据的存在并不能使物理学家们满足，他们更希望能够得到引力波存在的直接观测证据。
第一个引力波直接探测的实验尝试可以追溯到20世纪60年代。
突破源于Hermann Bondi的一篇文章，以及在1957年的北卡罗来纳州查珀尔希尔(Chapel Hill, North Carolina)的一次会议上费曼(Richard Feynman)描述的一个思想实验(thought experiment)。
在这个思想实验中，费曼认为引力波会引起套在杆上的圆珠的运动，而圆珠运动会摩擦生热。这一思想实验提出的引力波的可观测效应说服了在场的很多专家，并且触发了当时在场的来自马里兰大学的约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)的灵感。
Joseph Weber第一个设计制作了被称为“共振棒探测器(resonant-mass bar detector)”的引力波的直接探测器。
由于广义相对论预测，通过的引力波会对时空造成畸变，身处其中的物体由于时空畸变产生应变，因此Weber制作了一根长约2米、直径约0.5米、重约1.5吨的圆柱形金属铝棒。当引力波到达时，会交错挤压和拉伸铝棒两端，并且当二者频率一致时，达到共振，应变达到最大，贴在铝棒表面的压电晶体会产生压电信号，记录力学形变。铝棒悬挂在真空罐中以隔绝潜在的噪声。铝棒设计的共振频率为1657Hz。
1965年，设备开始运行，在1966年，Weber声称看到了第一个引力波事例，并在1969年报道两个相距1000公里的探测器同时探测到了引力波事件，并发表了题为“发现引力辐射存在的证据(Evidence for discovery of gravitational radiation)”的文章。
图4 Joseph Weber和他设计的共振棒引力波探测器
Weber的先驱性工作以及结果极大地鼓舞了欧美的物理学家，大家纷纷设计建造共振棒探测器，然而不幸的是，新的结果显示并没有探测到引力波，70年代中期，大部分科学家认为Weber的结果并不可靠。
现在分析来看，共振棒探测器有两个缺陷：一个是固定的共振频率，只有当探测到的引力波与共振棒的频率一致时，才能够产生共振；第二个是短距离的共振棒所产生的应变(量级为10-21)极小，以当时的技术条件，根本探测不到。
但是，Weber的装置给了物理学家们启发和希望，新的技术和思路出现了：低温共振探测器和干涉仪。低温共振探测器是被冷却到接近绝对零度以提高灵敏度的探测器；而干涉仪不同于共振棒单一的共振频率，它具有很宽的共振频谱。
LIGO(the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,激光干涉仪引力波观测天文台)是现有最大的、最灵敏的干涉仪。
自2002年起，LIGO开始获取数据,并且隔一段时间就进行一次升级以提高其探测灵敏度。最近的一次升级后，升级版LIGO(Advanced LIGO)在2015年夏季末投入使用，仅仅是几个星期以后的9月14日，LIGO就探测到了第一个置信度高达5.1倍标准差的引力波事件GW150914，这次引力波是源于距离地球13亿光年以外的两个黑洞的碰撞融合。
这一突破性发现再次证明了广义相对论的预言，不仅探测到了引力波，还观测到了黑洞，并且提供了研究和探测黑洞的手段。
之后又有三次重要的引力波事件被探测到，分别是LIGO探测到的GW151226、GW170104事件和VIRGO探测到的GW170814事件。
LIGO探测器
早在20世纪60年代，来自前苏联的两位物理学家赫尔岑施泰因(Mikhail Gertsenshtein)和普斯托沃伊特(Vladislav Pustovoit)就最初构想了用类似于迈克尔逊干涉仪(Michelson interferometer)的仪器来探测引力波。
迈克尔逊干涉仪是十九世纪末美国物理学家迈克尔逊(Albert Michelson)和莫雷(Edward Morley)为证明“以太漂移”而设计制作的精密光学仪器，原本为证明以太存在而设计的仪器最后证明以太不存在，并最终导致了相对论的产生。
现在，这一仪器的原理又被用来设计验证相对论的预言引力波，这真是命运的羁绊啊!
几年后，前苏联科学家的思路被Weber和他原来的研究生马利布休斯实验室(Hughes Aircraft Research Laboratories, Malibu, California)的福沃德(Robert L.Forward)重拾并制造了第一台引力波激光干涉仪的原型机。
与此同时，MIT的Rainer Weiss在1967年也发展了这一思路，并且开发了一台灵敏度有限的激光干涉仪。
图5 迈克尔逊干涉仪光路图
我们以LIGO探测器为例来说明利用激光干涉仪探测引力波的原理。
探测器由两个等长的探测臂正交组成。入射激光经过分束镜送入两个探测臂,激光在到达探测臂末端由末端反光镜反射回来,如果两臂完全相等,则反射回来的激光在分束镜重新相遇会发生干涉相消。
当有引力波到达探测器时,会造成一臂被拉伸,而与之正交的另一臂则被压缩,这样造成两臂不等长,反射回来的激光在分束镜处相遇时就不会发生干涉相消,剩余的光信号进入光子探测器,这样就证明了引力波的存在。
激光干涉仪探测引力波信号的优势显而易见,一个是干涉仪的探测频率频谱较宽,这样就增加了探测到引力波信号的概率,另外一个是干涉仪可以探测到极微小的形变,而且正交的两臂一个伸长一个缩短相当于将形变量扩大了2倍。
图6 LIGO探测器的简化结构图
图7 LIGO如何探测13亿光年以外的两个黑洞融合产生的引力波
从20世纪90 年代起，世界各地开始纷纷兴建一些大型激光干涉仪来探测引力波。
已经建成的有：
位于美国路易斯安那州利文斯顿(Livingston, Louisiana)臂长为4千米的LIGO(L1)和位于华盛顿州汉福德(Hanford, Washington)臂长为的4千米的LIGO(H1),分别由加州理工(CalTech)和麻省理工(MIT)运营；
位于意大利比萨附近，臂长为 3千米的VIRGO；
德国汉诺威臂长为600米的GEO；
日本东京国家天文台臂长为300米的TAMA300。
引力波事件代表了什么
1. LIGO探测到的引力波事件GW150914表示的是：
图8 GW150914引力波事件代表的物理含义
位于地球13亿光年以外的两个分别为29个太阳质量大小的黑洞和36个太阳质量大小的黑洞融合成为一个62个太阳质量大小的黑洞，丢失的3个太阳质量在不到一秒钟的时间内以引力波的形式辐射了出去。
这两个黑洞在宇宙早期产生，并且相互绕转，在相互绕转的过程中，产生的引力波会携带走一部分能量，从而引起黑洞能量丢失，两个黑洞越来越靠近。
而两个黑洞的靠近会引起加速绕转，加速绕转又导致引力波源源不断地携带能量传播到宇宙中的其他地方，这样持续了数百万年。
到最后，两个黑洞视界接触，在不到一秒的时间内相互吞噬掉对方，并且不断摇摆僵持，最终形成一个更大的黑洞。当它们融合之后，摇摆结束，只剩下一个独自旋转的黑洞，重归寂静。
融合时释放的巨大能量的引力波，这一峰值功率超过了可观测宇宙中所有恒星的光度总和还高10倍以上，在历经13亿年的时间，到达地球。
不过，在经历了漫长的时空穿梭之后，衰减后的引力波所引起的形变量不到原子核大小的千分之一，就是这么微小的形变，证明了引力波的存在！
2. LIGO探测到的引力波事件GW151226表示的是：
距离地球14亿光年的两个质量大小为14.2个太阳质量和7.5个太阳质量的黑洞融合为20.8个太阳质量的黑洞所辐射的引力波。
3. LIGO探测到的引力波事件GW170104表示的是：
距离地球30亿光年的两个质量大小为31.2个太阳质量和19.4个太阳质量的黑洞融合为48.7个太阳质量的黑洞所辐射的引力波。
4. VIRGO探测到的引力波事件GW170814表示的是：
距离地球18亿光年的两个质量大小为31个太阳质量和25个太阳质量的黑洞融合为53个太阳质量的黑洞所辐射的引力波。
图9 LIGO探测器的位置及实地图片，相距不远的探测器可以起到互相验证的作用，同一引力波事件应该被两个LIGO差不多同时检测到
为什么说引力波的发现具有重大意义？
首先，爱因斯坦的广义相对论所预言的引力波和黑洞都已经找到；其次，引力波成为研究黑洞的手段，黑洞性质的研究对于我们认识宇宙有着深刻的意义；而且，黑洞融合这一剧烈的天体事件，会不会产生新的物理，也十分令人期待！
最后，引用加州理工学院LIGO天文台的执行官雷茨(David H. Reitze)的一句话作为结语，“这项探测是一个是时代的开始：引力波天文学研究领域现在终于不再是纸上谈兵”。
本文由科普中国融合创作出品，枕草子制作，中国科学院计算机网络信息中心监制。“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。
（文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn）
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