LIGO激光干涉引力波觀測(cè)站。兩個(gè)方向的隧道長度為四公里。
文章來源：賽先生微信公眾號(hào)
“今人不見古時(shí)月，今月曾經(jīng)照古人?！?3億年前的地球充其量還只有低等生命的存在，然而那時(shí)候遙遠(yuǎn)外太空里一顆質(zhì)量為29倍太陽質(zhì)量的黑洞與另外一顆36倍太陽質(zhì)量的黑洞緩慢地靠近了，它們相互繞轉(zhuǎn)，最后碰撞并合在一起，并撥動(dòng)宇宙的琴弦——發(fā)出引力波。引力波以光速傳播，在走了漫長的13億年后，如今正強(qiáng)烈地?fù)軇?dòng)著2016年地球人的心弦。
一百年前，愛因斯坦提出廣義相對(duì)論的完整理論，把一維時(shí)間與三維空間看成是一個(gè)整體，成為一個(gè)四維的幾何體。這一幾何體被稱為四維時(shí)空或四維流形。然而，如果把這個(gè)四維時(shí)空做一個(gè)依賴于觀察者的3+1分解，就可以得到空間與時(shí)間。
愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，三維空間本身是有彈性的，它會(huì)隨著一維時(shí)間振動(dòng)。這一振動(dòng)將在整個(gè)空間激發(fā)出一種波動(dòng)，類似于水面上的漣漪——愛因斯坦稱這種空間的漣漪為引力波。
1919年 ，愛丁頓等人在日全食期間用光線彎曲的實(shí)驗(yàn)論證了愛因斯坦廣義相對(duì)論是一個(gè)滿足天文觀測(cè)的引力理論，這一實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為愛因斯坦的廣義相對(duì)論提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)，也成為科學(xué)史上的大事件。此后，陸續(xù)有驗(yàn)證愛因斯坦廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)推出，但這些實(shí)驗(yàn)都沒有超出太陽系的尺度，因此局限在宇宙的一隅，猶如坐井觀天。而且所有以前的實(shí)驗(yàn)，只觀察到一個(gè)固定的彎曲空間，沒有一個(gè)實(shí)驗(yàn)看到彎曲空間的波動(dòng)。
終于，97年后的今天，一個(gè)更震撼人心的實(shí)驗(yàn)結(jié)果將要出現(xiàn)。美國當(dāng)?shù)貢r(shí)間2月11日上午10點(diǎn)30分(北京時(shí)間2月11日23點(diǎn)30分)，美國國家自然科學(xué)基金會(huì)將攜加州理工、麻省理工和LIGO科學(xué)合作組織(LSC)的專家向全世界宣布，美國的LIGO(激光干涉引力波觀測(cè)站)首次直接探測(cè)到了引力波，其波源來自13億光年之外的遙遠(yuǎn)宇宙空間，由兩個(gè)黑洞碰撞并合所引發(fā)，這顯然是在宇宙尺度上對(duì)愛因斯坦廣義相對(duì)論進(jìn)行檢測(cè)與判斷的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)。
此前，人類從未直接探測(cè)到引力波，科學(xué)家僅通過對(duì)一個(gè)雙星系統(tǒng)的觀測(cè)——兩顆雙中子星相互圍繞著對(duì)方公轉(zhuǎn)——得到了引力波存在的間接證據(jù)，并獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后，人們一直孜孜以求，科學(xué)界也有多種探測(cè)引力波的方法和設(shè)備，但一直無所斬獲，直到去年LIGO升級(jí)后(注：LIGO于2001年正式投入觀測(cè)，2010年關(guān)閉，開始進(jìn)行升級(jí)改造。升級(jí)后的LIGO于2015年9月18日重新開機(jī)運(yùn)行，預(yù)計(jì)2019-2020年完成全部升級(jí)改造)，事情開始有了眉目。
一場(chǎng)有準(zhǔn)備之戰(zhàn)
北京師范大學(xué)天文系主任朱宗宏教授是研究引力波的專家，曾在日本國立天文臺(tái)的引力波探測(cè)項(xiàng)目TAMA300工作多年(那是一架臂長為300米的激光干涉儀)，目前參加日本后續(xù)項(xiàng)目KAGRA(這是位于神岡的臂長為3200米的大型低溫激光干涉儀，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人是2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主梶田隆章(Takaaki Kajita))。
朱宗宏告訴《賽先生》，2015年年初他訪問加州理工學(xué)院陳雁北教授(參與LIGO項(xiàng)目的資深專家)時(shí)，曾與他共同商討在北京舉辦大型國際引力波活動(dòng)The NextDetectors for Gravitational Wave Astronomy(參見2015年12月出版的《中國科學(xué)》英文版)，當(dāng)時(shí)就發(fā)現(xiàn)加州理工學(xué)院的專家們已經(jīng)開始專門開會(huì)商量LIGO發(fā)現(xiàn)引力波后的應(yīng)對(duì)策略了。
朱宗宏說，在LIGO還沒有升級(jí)改造的時(shí)候，LIGO高層主管在數(shù)據(jù)分析科學(xué)家不知情的情況下，輸入了一個(gè)約6000萬光年之外的兩顆中子星碰撞并合的模擬信號(hào)，數(shù)據(jù)分析科學(xué)家們從引力波信號(hào)波形的分析找到了這個(gè)事件——這說明在LIGO升級(jí)之前，引力波信號(hào)波形的分析技術(shù)已經(jīng)成熟——此路可以走通，這無疑是一個(gè)巨大的鼓舞。
(a)圖是通過數(shù)值求解愛因斯坦方程得到的雙黑洞軌道演化。圖中顯示的是兩個(gè)黑洞不同時(shí)刻的(x，y)坐標(biāo)。 它們的初始位置分別在(0，3)和(0，-3)。 (b)圖是數(shù)值計(jì)算所得到的引力波波形。
但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。朱宗宏介紹說：“初期LIGO的精度是10的-22次方量級(jí)，對(duì)于4000米的干涉臂來說，相當(dāng)于可以檢測(cè)出千分之一質(zhì)子大小的距離變化，這個(gè)精度是相當(dāng)高的(注：質(zhì)子的大小是10的-15次方米)。”2015年9月，升級(jí)后的LIGO精度進(jìn)一步提高到了10的-23次方量級(jí)，相當(dāng)于可以檢測(cè)出萬分之一質(zhì)子大小的距離變化。
除了精度問題，朱宗宏還透露，根據(jù)科學(xué)家們的估計(jì)，在LIGO升級(jí)改造之前，它一年能夠測(cè)到0.0002到0.2次雙中子星并合信號(hào)，或者0.0002到0.5次雙黑洞并合信號(hào)；而在LIGO升級(jí)改造之后，它一年就能測(cè)到0.4到400次雙中子星并合信號(hào)，或者0.4到1000次雙黑洞并合信號(hào)了。所以就雙黑洞并合信號(hào)而言，保守估計(jì)是兩年半看到一次，樂觀估計(jì)則是一天就能看到3次！所以說，正在升級(jí)中的advanced LIGO初試鋒芒就探測(cè)到信號(hào)，可說是非常幸運(yùn)，也可以說是非常正常！
朱宗宏表示，美國在LIGO實(shí)驗(yàn)上的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)值得借鑒：LIGO的激光干涉儀為什么有兩臺(tái)，每臺(tái)臂長為什么要4000米，這兩臺(tái)之間的距離多少為最優(yōu)，如何制作減震系統(tǒng)，如何加大激光器的功率等等這些問題都經(jīng)過了前期精心測(cè)算。因?yàn)椤霸诖罂茖W(xué)實(shí)驗(yàn)中，不能打無準(zhǔn)備的仗”。
LIGO何以探測(cè)到引力波
根據(jù)現(xiàn)在已有的消息，造成此次探測(cè)到的引力波是兩個(gè)分別為29倍太陽質(zhì)量與36倍太陽質(zhì)量的黑洞并和形成一個(gè)62倍太陽質(zhì)量的黑洞所形成的。也許你會(huì)問，合并后的黑洞為什么損失了3個(gè)太陽質(zhì)量？
原來，在兩個(gè)黑洞相互接近繞轉(zhuǎn)的過程中，根據(jù)廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)物理推導(dǎo)，這是一個(gè)隨時(shí)間變化的四極矩，因此會(huì)不斷朝外輻射引力波，而引力波的輻射會(huì)把兩個(gè)黑洞之間的引力勢(shì)能降低，所以兩個(gè)黑洞的距離會(huì)變小。這是一個(gè)典型的正反饋過程，隨著兩個(gè)黑洞的距離變小，它們之間相互繞轉(zhuǎn)的頻率會(huì)變得更快，就好像是在舞池上的兩個(gè)芭蕾舞演員，最后他們會(huì)抱在一起——這就是兩個(gè)黑洞碰撞并合在了一起，這一過程會(huì)放出大量的引力波能量，損失的那3個(gè)太陽質(zhì)量就是變成引力波輻射出去的。
這一輻射的能量有多大，通過愛因斯坦的著名質(zhì)能方程E=MC2計(jì)算可知，這相當(dāng)于數(shù)以億億億億計(jì)的原子彈同時(shí)爆炸，其威力相當(dāng)驚人，整個(gè)空間都在顫動(dòng)。這一顫動(dòng)也在13億年后傳到了地球——這就是目前LIGO探測(cè)到的引力波。
引力波信號(hào)傳遞到地球以后，其在激光干涉儀的接受器上會(huì)形成一個(gè)電子信號(hào)，這個(gè)電子信號(hào)在模數(shù)轉(zhuǎn)換后在終端電腦上表現(xiàn)為一個(gè)“引力波信號(hào)波形”。對(duì)這一波形的處理堪稱技術(shù)性難題，而科學(xué)家需要從波形里讀出很多信息：黑洞并合所花費(fèi)的時(shí)間、并合后黑洞的質(zhì)量、并合后黑洞的自轉(zhuǎn)角動(dòng)量、黑洞并合事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)距離地球的距離。(注：詳細(xì)信息可見加州理工學(xué)院的引力波專家基普·索恩所著的《星際穿越中的物理學(xué)》英文版的16章，本書也有中文版。)
《賽先生》了解到，LIGO這次對(duì)引力波信號(hào)波形的分析足足花了幾個(gè)月的時(shí)間。
并合后的黑洞角動(dòng)量有多大
對(duì)上述技術(shù)性難題中的黑洞角動(dòng)量問題，國家天文臺(tái)研究員茍利軍告訴《賽先生》：“一般黑洞是旋轉(zhuǎn)的，我們稱之為克爾黑洞。克爾黑洞的角動(dòng)量可以通過圍繞其公轉(zhuǎn)的粒子的最內(nèi)穩(wěn)定軌道來推定，最內(nèi)穩(wěn)定軌道的半徑與克爾黑洞的角動(dòng)量之間存在一條巴丁對(duì)應(yīng)曲線(注：這位巴丁的父親是超導(dǎo)BCS理論中的B，其父親得過兩次諾貝爾獎(jiǎng))。由這一對(duì)應(yīng)曲線，我們可以知道克爾黑洞的角動(dòng)量，這是對(duì)傳統(tǒng)黑洞的角動(dòng)量的經(jīng)典研究方法，對(duì)于目前LIGO探測(cè)到的合并后的黑洞的角動(dòng)量，則需要從引力波信號(hào)波形中進(jìn)行提取?！?
目前有多方信息源向《賽先生》表示，LIGO目前探測(cè)到的引力波揭示出合并后的62個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞具有中等數(shù)值的自轉(zhuǎn)角動(dòng)量。這一自轉(zhuǎn)角動(dòng)量用無量綱數(shù)a*來表示，當(dāng)a*為0的時(shí)候表示黑洞不發(fā)生自轉(zhuǎn)，而a*等于1的時(shí)候表示黑洞是一個(gè)極端黑洞(不能轉(zhuǎn)得更快了，否則就會(huì)出現(xiàn)裸奇點(diǎn))。
期待更多“零”的突破
現(xiàn)在，距離LIGO發(fā)現(xiàn)引力波的新聞發(fā)布會(huì)還有不到24小時(shí)，屆時(shí)將有更多信息和數(shù)據(jù)披露出來，世界各地的天文學(xué)家都在翹首等待這一相對(duì)論大革命事件的確證。
不同的引力波探測(cè)器對(duì)應(yīng)的不同引力波頻段
作為首次被探測(cè)到的引力波，這次的波源是雙黑洞并合所引發(fā)，這種引力波的典型頻率在1赫茲到100赫茲之間。但是，就公開發(fā)表的情況來看，對(duì)于其他頻段的引力波的測(cè)量目前還沒有實(shí)現(xiàn)“零”的突破，比如10的-16次方赫茲左右的原初引力波會(huì)在宇宙微波背景上產(chǎn)生所謂B模式，而用脈沖星計(jì)時(shí)陣探測(cè)的10的-9次方赫茲左右的雙超大質(zhì)量黑洞的引力波也是科學(xué)家們關(guān)心的物理過程。這些頻率的引力波探測(cè)都還需要后續(xù)進(jìn)一步的工作去完成。
發(fā)現(xiàn)引力波可以與100多年前發(fā)現(xiàn)電磁波的事件相提并論。很明顯，電磁波已經(jīng)改變了我們?nèi)祟惿鐣?huì)的面貌，從手機(jī)信號(hào)到微波爐，從WIFI到GPS，電磁波帶來了人類文明的曙光。
在電磁波被發(fā)現(xiàn)100多年以后的今天，引力波被找到了。它是唯一可以在高維時(shí)空中傳遞的波，這點(diǎn)與電磁波完全不同，對(duì)引力波的深入研究可以帶給我們對(duì)大尺度時(shí)空結(jié)構(gòu)信息的全面深入了解。同時(shí)，毫無疑問的是，引力波的穿透能力比中微子還要強(qiáng)，它也許真能像科幻小說《三體》中描述的那樣，被人類用于星際通訊領(lǐng)域。
(作者：張軒中)
