APD观察| 黑洞狂舞之声——引力波的探测

有内涵才man

文｜ 亚太日报特约记者岳东晓 理论物理学博士


科学家宣布发现引力波 广义相对论最后预言获证。（图 | 新华社）
2月11日，美国科学家们宣布了一条重大新闻，引力波终于被探测到了。
美国两个相距3000公里的 LIGO（激光干涉引力波天文台） 同时探测到了一个长达五分之一秒，频率由35赫兹增快到150赫兹的“低音”信号。经过分析表明，本次捕获到的引力波是由13亿年前两个黑洞的合并所引发的。这两个黑洞距离地球约10亿光年，一个质量约为太阳的29倍，一个约为太阳的36倍。
两个黑洞以1/2倍光速绕对方旋转并且迅速合并。二者在合并的过程中释放出约3个太阳质量的能量，这些能量以引力波的形式辐射出去，计算表明这个引力波的功率是整个宇宙的光功率的几十倍。
爱因斯坦预言引力波之后100年，人类终于成功探测到了这个时空本身的波动，这对于人类进一步打开自然奥秘之门、了解我们所在的宇宙，探究过去与未来，都将有非常重要的意义。
另一方面，相关的探测技术令人惊诧 ，这也体现了美国在高端科技的大规模投入以及美国目前在科技领域的高度领先。


这是美国路易斯安那州利文斯顿市的激光干涉引力波天文台的资料照片。（图 | 新华社）

那么，什么是引力波？这要从什么是平直空间讲起。中国古代发现了勾股定理 （古希腊称为毕达哥拉斯定理），勾股定理最早使人们开始以代数的思想与概念来解决几何问题，但这个定理只适用在“平直的空间内”，如果在球面上画一个直角三角形，勾股定理就不成立了。
所以人们一直假定，我们所在的三维空间是平直的，这在一定程度上限制了科学家们对于空间的理解。
一百年前，爱因斯坦发表了他的引力理论——又称为广义相对论。在这个理论里，时间不再是均匀地流逝，三维空间也不再平直，而是会因为物质能量等的分布而变化，勾股定理也就得修改了。
爱因斯坦的引力场的左边是空间时间的弯曲度，右边是引力源（质量、能量、动量流），左边等于右边。对于右边不变的情况，在引力弱的情况下，爱因斯坦场方程得到与牛顿的万有引力基本一致的结果，但仍然有极为微小的差别。例如，地面上的时间会比1000米高处的时间流逝要慢，尽管差别只有10万亿分之一，但已经被实验验证了。


爱因斯坦一百年前在其广义相对论中假设重力波。根据相对论，空间与时间交织成“空时”（spacetime），我们的宇宙观念因此在3D之外加上第四维。（图 | LIGO）
既然时空的弯曲度与引力源有关，那么当引力源随时间变化时，时空的弯曲度也会随时间变化。这种弯曲度的变化不会停留在一处，而是会传播开来。这就是引力波，又叫做引力辐射。比如地球绕太阳公转，转一圈是一年；地球作为一个引力源在周期性运动，这个周期性变化就会产生引力波，其波动的频率是每年两次。具体的计算都可以通过爱因斯坦的场方程进行，而且由于是弱引力的情况，相关的方程得到大大的简化。


双黑洞系统想像图。（图 | LIGO）
引力波所到之处，随之而来的时空波动的效果是物体的长度会发生变化。这种变化不是物体在伸缩，而是空间本身的伸缩。理论上，探测引力波可以通过测量物体长度的变化进行。但是粗略的计算表明，在实验室里人工制造引力波只能产生几百亿亿亿亿分之一的长度变化，这在可预计的将来都是过于微小而不可探测的。鉴于此，遥远天体在剧变过程中发出的引力波成为唯一可行的探测对像。为此，全世界的科学家们作出了前仆后继的努力。


这是技术人员在关闭舱门抽制真空前检查光学部件。（图 | 新华社）
1960年代，美国物理学家约瑟夫·韦伯设计了一组实验，通过观测金属铝圆柱体的振动来观测引力波。他发表了若干论文，声称已经探测到了引力波。但他的实验没能被其他物理学家重复。如果他的观测确实是引力波，那么就说明在离银河系不远处，频繁有大规模天文事件发生，而我们所在的宇宙是相对平稳的。最终，科学界一致认为，韦伯的数据分析存在很大的缺陷，其观测到的很可能是噪音信号，不足为信。


1965年，韦伯教授在调试他的引力波探测器。
但韦伯的努力鼓舞了后继者。1960年代，苏联科学家首先提出用激光相干的方法测量距离的变化。美国科学家进行了进一步分析，总结如何排除各种噪声信号（如微地震、热振动、汽车引起的振动等等）以提高灵敏度。做这样的探测需要大量的资金。以LIGO为例，它是一个L型的激光干涉仪，L型的每个臂长为4公里，里面抽成超高真空。建造这么个观测站耗资数亿美元，每年运行费用数千万。从2002年建成后运行8年，一直没有探测到引力波。经分析总结之后，认为必须升级提高灵敏度。于是又投入数亿美金，进行升级改造。终于非常肯定地探测到了引力波。


凭借LIGO，研究团队捕捉到了两个黑洞合并时的引力波信号。（图 | 德新社）
这次LIGO探测的引力波最大的信号为十万亿亿分之一。这是个什么概念呢？探测器的臂长是4000米，这个长度的十万亿亿之一是400亿亿分之一米，而一个氢原子的半径约为400亿分之一米。也就是说，LIGO探测到的长度最大变化只有一个氢原子半径的一亿分之一。
其效应如此之小，引力波的概念爱因斯坦在100年前提出，到今天才被探测到也就并不奇怪了。

计算表明这次探测到的引力辐射应该是来自两个质量约为太阳质量约30倍的黑洞互相绕对方旋转，螺旋式的越转越近，越转越快，以引力波形式发射大量的能量，并最终合并。150赫兹的信号说明黑洞在轨道上转动的速度达到了每秒钟75圈，而两者之间的距离只有约三百多公里。这意味着黑洞的相对速度达到了每秒10多万公里，接近光速的一半。如此剧烈的黑洞之舞，幸好是发生在10多亿光年之外——也就是说在10多年亿之前。

LIGO汉福德实验室的激光和真空设备区（LVEA）里面预稳定激光器，光束分离器等设备的鸟瞰图。（图 | 路透社）
美国崇尚科技，连美国的大众娱乐充满了科学探索。不管是《星际穿越》还是《火星人》，都是面向未来。 LIGO 引力波探测的核心人物之一是物理学家基普·托恩 (Kip Thorne）。好莱坞科幻大片《星际穿越》（Interstellar ）正是根据托恩的理论研究并由他担任执行制片，据称电影里的某些模拟计算就可以发表几篇论文。美国人把目光投向了遥远的星球、星系乃至宇宙的边缘，美国对人类科技文明的贡献举世瞩目。在牛顿出现之前，中国与西方基本上保持了科技水平的平衡；牛顿之后，中国大幅落后。今天我们处于后爱因斯坦时代，中美科技水平存在相当的差距。引力波的探测已经跨越了一个重要的里程碑，但未来还有更为广阔的前景。中国如果不甘落后，仍然大有可为。