時空彎曲的漣漪，讓人們離宇宙真理更近？_風聞

文/觀察未來科技

1916年，愛因斯坦發表論文，預測了引力波的存在；一個世紀後，2015年9月14日，位於美國華盛頓州和路易斯安那州的“先進LIGO”激光干涉儀首次探測到了黑洞合併事件，人類終於成功探測到的引力波信號GW150914。

兩年後，2017年10月3日，由於在引力波領域的突出貢獻，美國麻省理工學院雷納·韋斯（Rainer Weiss）、加州理工學院基普·索恩（Kip Thorne）和巴里·巴里什（Barry Barish）被授予2017年諾貝爾物理學獎。

劉慈欣的小説《朝聞道》中，掌握宇宙終極理論的外星文明“排險者”造訪了地球，至於排險者如何得到這本終極真理，答案就是引力波。可以説，引力波的證實開啓了一個全新的時代，如今，隨着對於引力波研究的日漸深入，以光速傳播擾動時空也讓人們離宇宙真理更近。

時空彎曲的漣漪

引力波，來源於愛因斯坦的廣義相對論。如果愛因斯坦的狹義相對論發現物質和能量是等價的，那麼廣義相對論則宣告運動中的物質決定了時空的形狀。引力波的專業説法是：四維時空曲率的擾動以行進波的方式向外傳遞的一種方式，所以引力波更應該叫曲率波。**簡單來理解，**引力波就是時空彎曲的漣漪，通過波的形式從輻射源向外傳播。

如果説牛頓的理論是“質量告訴引力場如何形成，引力場告訴質量如何運動”，那麼廣義相對論則是“物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何運動”。愛因斯坦之所以偉大，就在於他兩次改變了人類對時間和空間的思維範式。第一次他告訴我們時空一體，同時相對，第二次則告訴我們時空是彎曲的。

至於時空為什麼會彎曲，愛因斯坦認為，基於廣義相對論，在非球對稱的物質分佈情況下，物質運動，或物質體系的質量分佈發生變化，即物質分佈改變時，時空也會相應變化，這一變化會以波動的形式以光速傳播，即引力波。

比如，在一個平靜的湖面上放一個皮球，皮球之下的水面就是一個弧形，這就叫物體質量引起時空彎曲；但此時湖面仍然是平靜的，並沒有什麼水波出現。我們在旁邊再放一個皮球，只要不動它，仍然沒有水波出現。但如果兩個皮球在湖面互相繞着轉動，湖面就會產生水波向外傳播——如果我們把湖面視作時空，那麼，湖面產生的水波就是時空的波動，也就是引力波。

試想一下，在宇宙的某個地方，兩個黑洞發生了碰撞。在碰撞發生前的最後幾秒鐘裏，它們在引力作用下一起繞着最終接觸點完成了數千次的旋轉，使時空發生了劇烈振盪。碰撞之後，這兩個黑洞合併到一起，形成了一個更大的黑洞。黑洞合併時，無數能量則以純引力，也就是引力波的形式，不停地向四周傳播，時空受到擾動而泛起漣漪——這種****高強度的引力波，總有一天會傳播到地球。

當然，根據廣義相對論，引力波在傳播過程中是不斷衰減的，也就是時空一彎一曲地從黑洞合併處向外傳播，剛開始彎曲擾動得特別厲害，但傳得越遠對時空的擾動就越小。假設合併的黑洞距離地球10億光年，這也是為什麼引力波到了地球就衰減得難以測量**，對地球物體產生的變形也微乎其微的原因。**

當引力波還在黑洞附近時，假設它們的強度為1，就是説，物體有多大，它就把物體拉伸或壓縮多少。然而，到達地球時，引力波的強度將減小到約（1/30黑洞周長）/（波經過的距離）。對一個10億光年遠、10個太陽那麼重的黑洞來説，引力波強度為（1/30）×（180千米的黑洞周長）/（到地球的10億光年）≈10-21。因此**，它使地球海洋發生的形變就為10****-21****×（107米的地球大小）=10****-14****米，僅僅是原子核直徑的10倍。**

想在地球洶湧的海洋上測量這麼微小的潮汐是完全沒有希望的。不過，通過周密設計的實驗室儀器來測量引力波的潮汐力，還是有希望的——那就是引力波探測器，即利用光的干涉原理，觀察引力波造成的干涉波形圖樣。在引力波的影響下，會出現微小的光波波形變化，這時光探測器就能感應到干涉條紋的變化。

從預言到斷言

儘管愛因斯坦曾經預言引力波的存在，但愛因斯坦也曾經斷言，人類不可能測得到引力波。這是因為在人類發現的自然界四種基本相互作用中，引力是最弱的一種，只有弱作用力的億億億億分之一。愛因斯坦廣義相對論的其他預言在如光線的彎曲、水星近日點進動以及引力紅移效應在提出以後都陸續都獲得證實，唯有引力波一直徘徊在科學家的“視線”之外。

儘管探測任務艱鉅，但人們並沒有放棄探測引力波的存在。非常重要的早期工作之一由一類叫韋伯棒(Weber bars)的儀器完成。這類儀器的名字來源於馬里蘭大學的約瑟夫·韋伯(Joseph Weber)，它們由巨大的金屬圓柱組成，大約1米寬，幾米長。人們設想當引力波穿過地球時，它會導致圓柱振動，就像用木槌敲擊鈴鐺一樣。只有某種頻率的引力波存在時才能引起圓柱振動。

當年用來探測引力波的韋伯棒精確度能達到10-15。雖然聽上去十分靈敏，但還不足以探測到今天人們熟知的引力波。**於是，在韋伯棒的基礎上，研究人員開發出了另一種技術來探測引力波，那就是干涉法。**1971年，約瑟夫·韋伯的學生羅伯特·弗爾沃德建成臂長8.5m的引力波干涉儀雛形，經過150小時的探測，遺憾的是，弗爾沃德也並未探測到引力波。

1984年，美國加州理工學院與麻省理工學院合作設計與建造了激光干涉引力波天文台（LIGO）。1999年，在美國路易斯安那州的利文斯頓（Livingston）與華盛頓州的漢福德（Hanford）分別建成相同的探測器，兩地相距3000多千米，這樣一來，就可以通過超級計算機比對兩者採集到的數據，並通過算法來排除許多幹擾信息。

2002年，LIGO正式進行第一次引力波探測，2010年結束數據蒐集。在這段時間內，並未探測到引力波，但是整個團隊獲得了很多寶貴經驗，探測靈敏度也有所改善。2010年至2015年，LIGO又經歷了大幅度改良，升級後的探測器被稱為“先進LIGO”（aLIGO），於2015年再次開啓運作，終於在****2015年9月14日與Virgo等引力波探測器合作成功探測到引力波。

格林尼治時間2015年9月14日9點50分45秒，位於路易斯安那州利文斯頓的LIGO引力波探測器的干涉儀中出現了震盪信號。這一信號只持續了0.2秒的時間，它導致干涉儀那條4千米長的懸臂伸縮了1/1000個質子大小的尺度。大約0.007秒後，位於華盛頓州漢福德的探測器收到了相似的信號。

這一信號激發了警報，操作這一實驗的科學家們立刻毫無疑問地確信，他們探測到了穿過地球的引力波。**自1916年至2015年首次直接探測到引力波，人類已尋找了它100年。**2015年12月26日、2017年1月4日、2017年8月14日LIGO又先後三次探測到黑洞併合產生的引力波。

2017年10月16日，包括中國南京紫金山天文台和美國宇航局在內，全球數十家天文研究機構的科學家宣佈人類第一次探測到雙中子星併合引力波，並同時“看到”該宇宙事件發出的電磁信號。這是人類成功探測到的第一例雙中子星引力波事件，也是人類首次窺見引力波源頭的奧秘。

在蟲洞中穿梭

引力波的成功探測讓我們得以重新認識了宇宙。

引力波有兩個非常重要而且比較獨特的性質。一方面，引力波不需要任何的物質存在於其周圍，這時就不會有電磁輻射產生。另一方面，引力波能夠幾乎不受阻擋地穿過行進途中的天體。比如，來自遙遠恆星的光會被星際介質所遮擋，而引力波能夠不受阻礙地穿過。

**這兩方面的特徵使得引力波攜帶更多之前從未被觀測過的天文信息。通過研究引力波，科學家們能夠區分最初宇宙奇點所發生的事情。**如果人類能夠截獲這些信息，我們或許就能夠利用全新的手段來研究黑洞、中子星等各種天體，弄清發生在宇宙彼端的故事。而一旦尋找到合適的引力波，人們將能夠為大爆炸理論和宇宙膨脹理論找到有利的證據。

通過引力波光學信號的觀測和光譜分析，科學家們還可以分析元素的變化情況。比如，中子星併合是宇宙的“巨型黃金製造廠”，藉助引力波探究中子星，人們就可以窺見金、銀等超鐵元素是如何在宇宙的“盛大焰火”中產生的。中子星的一次碰撞，拋出的碎塊中形成的黃金足有300個地球那麼重。

**不僅如此，引力波的證實也為人們發現宇宙彎曲的一面開闢了道路。**電影《星際穿越》講述了一場人類經歷黑洞、蟲洞、奇點、引力異常和高維空間的冒險旅程。所有這些物理現象都源自於空間與時間的彎曲或與彎曲密切相關。

其中，蟲洞就是宇宙中相距遙遠的兩點間的一條假想捷徑。它有兩個洞口，例如，一個在地球附近，另一個在26光年外織女星軌道附近。兩個洞口通過超空間的隧道相聯結（蟲洞），可能只有1千米長。假如我們從地球附近的洞口走進隧道，只經過1千米，就到達另一洞口，出現在（從外面的宇宙看來）26光年遠的織女星旁——蟲洞就是時光機器。

實際上，蟲洞不僅是科幻小説家憑空想象的東西，早在1916年，人們就在愛因斯坦場方程的解裏發現它了。那時，愛因斯坦的場方程剛建立幾個月。如果能夠建造穩定的可穿越蟲洞，那麼，在未來無論人們的兩端相隔多遠，都能實現幾乎實時的通信和旅行。如前所示，蟲洞就是一條時空中的捷徑，讓我們可以從A地來到B地而不用穿越橫亙在二者之間的空間。

然而，到目前為止，人類對時空彎曲還不甚瞭解，幾乎沒有相關的實驗和觀測數據。這也是為什麼引力波尤其重要的原因：引力波源自於空間的彎曲，可以説，引力波就是探索宇宙彎曲的理想工具。

當前，我們正在迅速邁向一個發現引力波變得習以為常的時代。隨着技術的發展，科學家也將發現更多有關引力波的新細節，並繼續突破人們曾經以為的物理邊界。