什么是引力波？它是怎么被发现的？
导读：在本文中，我们将详细谈一谈引力波，以及探测它们的“神兵利器”。
01 引力场的涟漪——引力波
法拉第（见图4-1）认识到，遍布于整个空间的电磁场是电磁力的载体。这个观点改变了我们对物理世界的理解。
▲图4-1 印着法拉第头像的面值20英镑的纪念纸币
后来，麦克斯韦用一组数学方程，阐明了法拉第的观点，建立起电磁统一理论。这个理论告诉我们，光是电磁波，可见光也只是电磁波谱的一部分，除了可见光，还有其他频率的电磁波。
赫兹通过实验证实了无线电波的存在，随之而来的是收音机的发明，以及电视、雷达、手机及许多其他应用的涌现。带电粒子（如电子）如果受到振动，就会发出电磁波。
爱因斯坦富有洞见地用“场”赶走了引力的“超距作用”，解除了牛顿的困境。如同麦克斯韦的电磁理论是电磁学的经典理论，爱因斯坦的广义相对论也是引力的经典理论。广义相对论预言，宇宙中有引力波——连续不断的时空波动。
02 引力场
爱因斯坦在构思他的新引力理论——广义相对论时，打算把场的概念应用到引力上。他成功地做到了这一点。谁想到，这个场竟然就是时空本身。
在广义相对论里，时空就好比是电磁场，物质的质量是电荷。广义相对论预言，大质量物体在猛烈旋转时会产生引力波，由于引力可以用时空扭曲来描述，那么引力波就是时空的涟漪（见图4-2）。
▲图4-2 双黑洞系统发出引力波的示意图
探测电磁波不是什么难事。每当我们睁开眼，或者打开电视、登录无线网，甚至用微波炉热一杯茶的时候，我们就在接收电磁波。但是，探测引力波可没这么容易，因为引力可比电磁力微弱多了。
在我们生活的环境里，引力十分重要，这让我们误以为引力很强。但实际上，只有像行星那样大的一团物质，才能产生明显的引力效果。即便如此，一块小小的磁铁就能与整个地球的引力抗衡，轻而易举地把小铁钉吸起来。
引力是如此微弱，以至于摇晃大质量物体，也只能产生极微小的引力涟漪。只有宇宙中最暴烈的事件（比如超新星爆发、中子星碰撞、黑洞并合）产生的引力波，才有可能被我们探测到。
而且，探测仪器必须非常灵敏：能够测量相距几千米的两点之间距离的变化，这个变化小于质子的千分之一或原子的十亿分之一。虽然这听上去难以置信，但科学家已经造出了这样的仪器。
03 探测时空涟漪
在广义相对论问世100年后，引力波研究终于取得了第一次成功。美国科学家潜心钻研数十载，建成了激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）。
LIGO由彼此相隔3000千米的两套装置组成，一个位于华盛顿州的汉福德，另一个在路易斯安那州的利文斯顿（见图4-3），两套设备必须完全分隔开，才能从本地的干扰信号中辨别出真正的引力波信号。
▲图4-3 美国路易斯安那州利文斯顿的LIGO装置
两套装置皆呈L形，各有两个4千米长、彼此垂直的臂，臂内保持超高真空状态。科学家把一束激光导入分束器，由分束器把激光一分为二，分别送入两条臂中。在臂的两端各有一面镜子，激光在两面镜子之间来回反射400次（走过1600千米）。最后，再把两条臂中的激光合二为一。
装置经过特别设计，让一束光的波峰正对另一束光的波谷，使两束激光在合并后彼此抵消，如此一来，就不会有光传到光电探测器上。
当有引力波经过时，双臂的臂长稍有改变，导致两束激光在臂中走过的距离发生变化，光的相位也随之偏移（幅度远小于1个波长）。结果，两束激光在合并时不再完全抵消，这时，就会有一部分光传到光电探测器上（见图4-4）。
LIGO异常灵敏，因为只有如此，它才有可能探测到引力波。
▲图4-4 LIGO引力波探测器示意图。左：两束激光完全反相，在合成束后完全抵消。这时，不会有光传到光电探测器上。右：臂两端的镜子稍稍改变位置，导致两束激光走过的路程发生变化。如此一来，两束激光不再完全反相，在合并后会有一部分光传到光电探测器上
04 深空里的暴烈事件
LIGO的升级版——高新激光干涉引力天文台（Advanced LIGO），在2015年9月18日投入运行。然而，就在正式投用的前4天，奇妙的事情发生了。汉福德和利文斯顿两地的装置在几毫秒内，先后探测到一个相同的明确信号（见图4-5）。
▲图4-5 LIGO探测到有史以来第一个引力波信号
科学家已经研究过这种暴烈事件，并用计算机建模。所以，他们能从LIGO探测到的引力波中，辨认出事件的特征。根据计算机模型，科学家发现双黑洞并合系统能够持续不断地发出引力波。整个系统也因此不断消耗能量，致使两个黑洞越转越近，最终合并成一个新黑洞。
在黑洞向内绕转的最后时刻，系统发出的引力波明显增强。新形成的黑洞一开始时极不稳定，在发出最后一阵引力波（铃宕）后，便很快安定下来。
科学家从这第一个简短信号里，提取出大量的信息。他们知道了这个黑洞并合事件发生在距离我们13亿光年的地方。LIGO探测到的引力波正是两个黑洞在并合前一刻以及铃宕阶段产生的。据估算，两个黑洞的质量分别是太阳质量的29倍和36倍，并合形成的新黑洞有62倍太阳质量，而且在飞快地自转。
真正令人吃惊的是，在这场并合中，约有3倍太阳质量的物质转化成能量，以引力波的形式释放出来。如此巨大的能量释放只在时空中掀起了极小的涟漪，这个时空涟漪向外扩散，传播到13亿光年外的地球。引力波虽然只是微小的时空涟漪，却携带着巨大的能量。
这是人类有史以来第一次探测到双黑洞系统，也是迄今为止最为直接的一次黑洞观测。这次观测还证实了引力波如预期的那样，以光速传播。
2017年的诺贝尔物理学奖颁给了美国物理学家基普·索恩（Kip Thorne）、巴里·巴里什（Barry Barish）和雷纳·韦斯（Rainer Weiss），以表彰他们在LIGO研发中做出的决定性贡献。引力波天文学的时代到来了。
05 名字的含义
宇宙中可能荡漾着引力波，这是广义相对论做出的惊人预言。但直到广义相对论诞生100年后，这个预言才被证实。我们在前文已经讲过，LIGO在2015年9月探测到了引力波。
现在，LIGO每过几个月就会探测到新的引力波信号，头4个信号都是遥远的黑洞并合事件产生的，其中第三个信号是LIGO在2017年1月4日探测到的。
艺术家根据这个信号，对双黑洞系统展开想象（见图5-1）。这两个黑洞的质量分别是太阳质量的32倍和19倍，它们的自转方向也各不相同。图5-1展示了它们即将并合的场景。这个引力波信号被命名为GW170104。猜猜看，它为什么叫这个名字？
▲图5-1 艺术家根据引力波信号GW170104想象的两个黑洞即将并合的场景
06 可爱的引力波探测器LISA
LIGO探测到引力波可是一个非常了不起的技术成果。欧洲空间局（European Space Agency，ESA）想要更胜一筹，打算把引力波探测器送入太空。
这个探测器名叫太空激光干涉仪（Laser Interferometer Space Antenna，LISA），由1个母飞行器和2个子飞行器构成。这3个飞行器彼此相隔250万公里，在太空中排布成一个等边三角形，一同围绕太阳旋转（见图5-2）。
LISA用激光监测飞行器的间距，宛如一台精确的干涉仪。当有引力波途经此处，飞行器的间距会发生轻微改变，干涉仪便能探知到这一切。
▲图5-2 LISA的示意图
07 为LISA铺路
2015年12月，LISA探路者探测器发射升空。作为LISA的开路先锋，它将对搭建太空干涉仪的技术和可行性进行测试和评估。进入太空后，LISA探路者在舱内放出两个测试金属块，让其自由漂浮，并用激光干涉仪测量它们的间距（见图5-3），随后，再以前所未有的精度（小于0.01纳米）随时监测它们的位置变化。
▲图5-3 LISA探路者放出两个测试金属块，让其自由漂浮，同时用高精度激光干涉仪测量它们的间距
探路者这么做的目的是想向大家展示，这两个金属块能够不受任何内部或外部的干扰，保持理想的自由落体状态。
尤其引人注目的是，探路者能够感知金属块的运动，并用微型推进器调整自身的位置，避免碰触到金属块。为了保证干涉仪的高灵敏性，做到这一点至关重要，因为探测器难免会受到诸如太阳风、微小流星体的撞击及舱内气体分子等多种干扰。
探路者的金属块彼此间距不过40厘米，可是，LISA的3个飞行器却彼此相隔几百万公里。为了确保LISA的距离测量和探路者的一样精准，探测器的灵敏度也会随体型的增大而提高。2017年6月，ESA宣布，经过LISA探路者的测试，太空干涉技术的表现超出预期，这意味着有此技术傍身的LISA一定十分灵敏，能够探测到引力波。
08 我们将会看到什么
与LIGO及地面上的其他引力波探测器相比，LISA对更大的天体系统发出的波长更长的引力波比较敏感，所以它能探测到前者探测不到的引力波，因而大大地提升了我们研究引力波的能力。
在产生引力波信号GW170104的事件中，发生并合的两个黑洞虽然质量很大，但它们的直径只有190千米和115千米，并合形成的新黑洞也仅有280千米宽。以宇宙标准来衡量，它们都是小不点。
只要是两个致密的天体（可能是白矮星、中子星或者黑洞）互相绕转构成的密近双星系统，在并合前一刻发出的引力波，LISA都可以探测到。比如发出引力波信号GW170104的双黑洞系统，LISA在两个黑洞并合前数周甚至几个月，就能探测到它们发出的引力波了。
这样一来，科学家就能确定系统的方位，还能准确地预测出并合的时间。这些信息的用处很大，能够帮助科学家找到它们的光学对应体。
09 超大质量黑洞
在银河系的中心，潜伏着一个超大质量黑洞，它的质量是太阳质量的400多万倍（见图5-4）。
▲图5-4 艺术家眼中的超大质量黑洞
科学家认为，尽管不是所有的，但绝大多数星系，在其中心都藏匿着一个这样的巨兽。LISA不仅会看到这些黑洞吞噬周围的恒星，还会探测到它们的并合过程。在宇宙中，如此激烈、壮观的事件肯定时有发生，让我们期待着发现更多事件吧。
目前，我们还不十分清楚，超大质量黑洞是如何形成、长大的。LISA能够探测到它们出生前的阵痛，为我们提供重要的线索，帮助我们理解它们的形成过程，了解它们与早期宇宙中的类星体有何关联。
LISA还能帮我们改进描述宇宙大爆炸的直接后果和极早期宇宙的理论模型。此外，LISA还回赠我们一个大礼包——为广义相对论提供严格的新测试，这将增进我们的基础物理知识。
作为ESA的“宇宙愿景”（Cosmic Vision）计划的一部分，LISA将于2034年飞入太空。
关于作者：尼古拉斯·米（Nicholas Mee），在剑桥大学学习期间主攻理论物理和数学，以优异的成绩获得了数学学士学位，并以论文《超对称量子力学和几何学》获得理论粒子物理学博士学位。
本文摘编自《宇宙观：一场跨越时空的宇宙探秘之旅》，经出版方授权发布。
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