百年穿越 时空共鸣

王宁

　　2015年9月14日，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）侦测到了距地球13亿光年的两个超大质量黑洞合并时所传出的时空振荡。这是人类首次直接发现双黑洞系统。合并前，两个黑洞的质量分别为26和39个太阳质量，合并后的单一黑洞，其质量为62个太阳质量，少了的3个太阳质量，是在合并瞬间大约0.05秒的时间内，转换为巨大能量并以引力波为载体，向宇宙空间释放出去。

激光干涉引力波天文台（LIGO）

执行总监雷茨向全世界宣布

LIGO探测到了引力波

　　这对双黑洞发生合并的时间，对应于地球诞生后大约32亿年，按照地史的地质年代划分，对应于前寒武纪的太古代，那还是一个漫长而没有生命，死一般沉寂的世界。

　　引力波以光的速度在浩瀚宇宙中传播，经过13亿年，于2015年9月14日到达地球，被LIGO成功捕获。之后，科学家们花费了数月时间，验证数据并通过极其严格的审查程序，最终，于今年2月11日正式向全世界宣布：LIGO探测到了引力波。

双黑洞系统

　　一百多年前的1905年，里程碑式的伟大物理学家爱因斯坦基于狭义相对性原理以及光速不变原理，针对惯性系发表了他的狭义相对论，其中就有我们所熟知的质能方程式：能量等于质量乘以光速的平方。正是这个质能方程式，指导着人类发现了核能，使美国人在二战时期制定出了曼哈顿计划并最终制造出原子弹。1945年，原子弹应用于实战，加快了日本侵略者的灭亡以及二战的结束。

里程碑式的伟大物理学家

阿尔伯特·爱因斯坦

　　1915年，爱因斯坦将他的相对论学说拓展到了非惯性系。基于广义相对性原理以及等效原理发表了他的广义相对论，并推导出了一个二阶的非线性偏微分方程组，即著名的引力场方程。爱因斯坦基于广义相对论，首次提出了一种完全不同于以往的关于引力的观点：引力并非质量之间的吸引，而是质量对周边时空造成的弯曲。也就是说，由于质量的存在，改变了物理时空的平直性质，空间和时间都是弯曲的，而时空的弯曲程度就反映了引力作用的强弱。如果说狭义相对论研究对象的背景时空是平直的，那么，广义相对论研究对象的背景时空就是弯曲的。

质量引起的时空弯曲

　　爱因斯坦预言：质量在加速时会发生引力辐射。也就是说，一个静止的质量会造成周边时空的弯曲，而且，质量越大，周边时空的弯曲程度就越严重，但这种时空弯曲不能以波的形式向外传播。而对于一个加速的质量来说，它造成的时空弯曲会以波的形式向外传播，这就是引力波。

　　宇宙中，一个单一运动中的天体所发出的引力波，波长很长，频率很低，振幅很小，且不具有很好的周期性。一些由超大质量天体构成的双星系统，譬如双中子星系统、双黑洞系统等，由于双天体之间的相互缠绕旋转，会对周边时空形成剧烈扰动，从而向外发出频率很高，振幅很大且具有良好周期性的强大引力波。

　　爱因斯坦的这个预言，在此之前的一百年来一直无法以实际探测直接验证。

双星系统

双星系统中

双天体相互缠绕旋转

对周边时空形成剧烈扰动

向外辐射出强大引力波

　　对于爱因斯坦广义相对论正确性的验证，走过了一百年的漫长历程，历代科学家们都做出了不懈努力。最重要的验证手段就是通过实际探测来验证爱因斯坦基于广义相对论的各项预言。其中就包括史上著名的三大经典验证：

（一）验证“水星近日点进动”

　　水星公转轨道上的近日点不是固定不变的，而是顺着公转方向围绕太阳缓慢移动，称之为近日点进动。其实，水星的远日点同样在进动，致使水星大椭圆公转轨道的长轴围绕太阳缓慢旋转。太阳系中除了水星之外的其他七大行星的近日点都存在进动现象，只不过因为水星距离太阳最近，它的近日点只有4600万千米，因此，受太阳弯曲时空的影响最大，进动现象相对最为明显，更易于天文观测。科学家们通过实际观测，得出水星近日点的进动数据为每百年5600.73角秒，而利用牛顿万有引力定律计算出的水星近日点的进动数据为每百年5557.62角秒，两者相差43.11角秒。如果考虑时空弯曲因素，利用广义相对论计算出的进动数据则与实际观测数据高度吻合，圆满地解释了这多出的43.11角秒，从而验证了这一预言的正确性。

水星近日点进动

（二）验证“光线在引力场中的偏折”

　　1915年，爱因斯坦依据他的广义相对论，计算出星光经过太阳边缘时的偏折度为1.74角秒。1919年，科学家们第一次在日全食时进行了检验光线弯曲的观测，初步验证了这一预言的正确性。从那以后，经历了更多次的日全食观测，都得出了同样的结论，即爱因斯坦预言的偏折量比牛顿力学所预言的偏折量更接近于实际观测。

　　现代天文观测中，科学家们利用射电源发出的微波在太阳边缘的偏折量来进一步验证。最为权威的一次是在1991年，科学家们利用多家天文台协同观测的技术，以万分之一的精确度验证了这一预言的正确性。

光线在引力场中的偏折

（三）验证“引力红移效应”

　　所谓“红移”的概念是从可见光光波特性中来，可见光光谱中，红光的波长最长，频率最低。紫光的波长最短，频率最高。当一颗恒星离我们而去时，我们接收到它发出的光的波长会变长，频率会变低，谱线向红光端移动，称之为光波红移。相反则称之为光波紫移。声波、电磁波也具有同样的特性，虽然不存在光谱，但仍把波长变长，频率变低的过程称为“红移”，也称为多普勒效应。当年，就是利用雷达回波的多普勒效应，来判断已处于失联状态的马航MH370航班飞行方向的。

　　依据广义相对论可知，一个大质量天体会使周边时空弯曲，越靠近该天体，时空弯曲的程度越严重，引力场越强，时间变得越慢，所发出的光红移量也就越大，这是因为时间变慢，但光速不变，则相应的波长会变长，频率变低，即产生红移效应。由于这种红移效应是引力场所致，因此被称为引力红移效应。如果直接探测一个大质量天体发出的光或电磁波，根本无法验证引力红移效应。因为，天体发出的光或电磁波抵达地球后，其中已掺杂进多普勒红移及宇宙学红移的影响，即所产生的红移量是三种红移效应综合影响的结果。如果在地球上，利用地球引力场来进行测量，则可避免多普勒红移及宇宙学红移的影响。然而，却带来了另外一个问题，那就是由于地球的质量不足够大，引力场不足够强，所造成的引力红移微乎其微。不过，早在六十年代，科学家们就圆满地解决了这个精细测量问题。利用穆斯堡尔效应的精密测量特性，测量了光垂直传播22.5米所产生的微小红移量，验证了引力红移效应的存在，亦即成功验证了爱因斯坦这一预言的正确性。

引力红移效应示意图

　　一百年后的今天，随着人类科学与技术的飞跃进步，LIGO的壮举，将爱因斯坦广义相对论的最后一个预言（加速质量的引力辐射）完美的验证了。

　　LIGO分别在美国的路易斯安那州利文斯顿市与华盛顿州小城汉福德市建造了两个引力波探测器，两者相距3002千米。经过改造升级后，探测器的探测灵敏度大幅度提高，主要由麻省理工大学及加州理工大学的科研团队负责运行。整个探测项目还吸收了十多个国家的一千多名科学家参与，其中也包括我国清华大学的科研团队。

　　每个探测器都具有两个相互垂直且长度均为4千米的干涉臂，两个干涉臂的交汇处设有激光光源及成像装置，而其远端分别设有光反射镜。光反射镜每接收到300万个光子，只有一个光子被吸收，说明光反射镜几乎不会损耗激光束的光能。激光光源及成像装置，远端的光反射镜以及整个光路被封闭在超高真空环境内，以保证激光束在运行过程中不会与气体分子碰撞而致使光能衰减。整个探测器具有极高的隔离震动能力，以最大限度地提高信噪比。

建在华盛顿州汉福德市的引力波探测器

　　根据光的干涉原理可知，两束频率相同，相位差恒定，振动方向一致的相干光源，可以产生光的干涉。而探测器就是利用了光的干涉原理，用干涉条纹的周期性变化来体现光程差的周期性变化。首先，位于两个相互垂直的干涉臂交汇处的光源发出具有极佳单色性的激光束，通过分光系统一分为二后，将频率相同，相位差恒定，振动方向一致的两束激光同时射入两个干涉臂中，光在真空中运行至最远端，被光反射镜反射而折返，两束激光在光源处的成像装置上交汇，发生干涉现象并形成干涉条纹。

　　当引力波到达时，根据爱因斯坦的广义相对论可知，此处的时空会发生扭曲，致使探测器的一个干涉臂变长，而与其垂直的另一个干涉臂则相应变短，对应于两个干涉臂内的两束运行中的激光束来说，一路的光程变长，而另一路的光程则相应变短，从而产生光程差。然而，这个光程差变量微乎其微，只有一个质子直径的千分之一，如此微小的光程差不足以使干涉条纹发生较为明显的变化。如果能够加长光程，那么光程变量就会相应加大，光程差也会相应变大。在探测器接收到引力波并造成两干涉臂长度发生相应变化的短瞬周期内，二等分后的两束激光分别在各自运行的干涉臂内往返N次，以往返500次为例，单路光程即变为4千米×500×2，即为4000千米，相当于加长了1000倍，同时，光程变量也加大了1000倍，两路激光之间的光程差同样加大了1000倍，此时，两路激光在成像装置上交汇，形成干涉条纹，这样的干涉条纹会产生足够明显的变化。至于N的数值选多大，这完全取决于目前的科技水平及制造水平能达到的探测器的测量精度。理想情况下，N的取值应为1。引力波波峰时，A干涉臂的长度最长，而垂直向的B干涉臂长度最短；引力波波谷时，A干涉臂的长度最短，而垂直向的B干涉臂长度最长。这是两个极限情况，其他情况下，两干涉臂的长度在两个极限情况之间连续变化。由于接收到的引力波是连串波，因此，两个相互垂直的探测臂长度会呈现此消彼长的周期性变化，亦即光程差会跟随引力波呈现出周期性变化，所对应的干涉条纹同样会跟随引力波呈现出周期性变化，这样的周期性变化可用与之对应的模拟电信号波形直观地显示出来，这在一定程度上可以证明该探测器捕捉到了引力波。实际探测过程中，仅凭单一探测器所形成的数据来证明探测到了引力波并不严谨，只有位于路易斯安那州和华盛顿州的两台探测器同时产生近乎相同的模拟波形，才能够严谨的证明LIGO探测系统探测到了引力波。本次探测，相距3002千米的两台探测器在7毫秒的微小时间差内，先后捕捉到了同一引力波，并产生近乎相同的模拟波形，两台探测器的数据相互印证，极大地提高了数据的可靠性，这使得LIGO在宣布这一重大消息之后，信心满满地表示，此次探测结果出错的可能性为零。

引力波探测原理示意图

　　追溯人类的观测天文学史，最早以光学天文望远镜为观测装置的可见光观测天文学。后来，由于射电天文望远镜的出现，从而扩展到全波段观测天文学。此次LIGO的成功探测，为人类的观测天文学开辟了一条崭新途径，那就是“引力波探测天文学”，引力波探测天文学就是通过引力波这个途径来观测发出引力波辐射的天体系统。然而，这仅仅是一个开始，如何提高探测器的灵敏度，以捕捉更多频段的引力波，如何从捕捉到的引力波中解读出关于辐射源天体的更多信息，都需要我们人类继续做出不懈努力。

奥妙无穷

令人类无限遐想的浩瀚宇宙

　　本次LIGO探测到的双黑洞系统，其实从它们的相互缠绕旋近阶段开始，就不断扰动时空，不断辐射出引力波，只是频率不足够高，振幅不足够大，且受到目前探测器灵敏度所限，而使LIGO探测器捕捉不到。只是在合并阶段初期，形状还只是非圆的不规则态时，此时辐射出的引力波频率最高，振幅最大，而被LIGO探测器成功捕获。如果，LIGO探测器具有足够高的探测灵敏度，能够捕捉到两个黑洞在缠绕旋近阶段辐射出的引力波，那就大大延长了探测时间，从而可以获取更多关于双黑洞系统的未知信息，将利于我们人类更加深入的了解这一特殊天体系统的整体特性。若要大幅度提高探测器的灵敏度，最好的办法就是把探测器搬到太空中去。

　　由三颗探测卫星组成一个等边三角形，在地球公转轨道附近共同围绕太阳旋转，每颗卫星都同时携带大功率激光器和光反射镜，既可以是光源端卫星，也可以是远端光反射卫星，等效于三颗卫星围绕地球构成了三台彼此相距上百万千米的太空探测器。同时也等效于将干涉臂加长到上百万千米，可极大地提高探测灵敏度。这样的等效干涉臂是无形的，无需像地面LIGO探测器那样，必须采用高技术、高工艺制造出一个庞大的真空系统，深空中本身就是超高真空环境，只需从一颗卫星同时向另外两颗卫星发出激光束即可，彻底甩掉探测臂的制造麻烦。另外还有一个地面探测无法比拟的好处就是，安静的太空可以避免很多震动干扰，从而进一步大幅度降低探测器的制造难度，大幅度降低数据处理难度，同时意味着大幅度提高探测数据的可靠性。这样的太空引力波探测系统，将具有更大频段范围内的引力波探测能力。范围可涵盖最高频的超新星引力坍缩和毫秒脉冲星到最低频的宇宙诞生初期所发出的引力波。太空探测系统与地面LIGO探测系统还可以组成一个更大的探测系统。当引力波传来时，太空探测系统率先捕捉到，微小的时间差内，地面LIGO探测器随后捕捉到，这样，各自获取的探测数据不仅可以得到地球上两地探测器之间的相互印证以及太空中三颗探测卫星之间的相互印证，同时也可以得到天地之间的相互印证，最大限度地提高探测数据的可靠性。

双黑洞系统旋近 合并 铃振各阶段

所对应的引力波振幅强度

　　LIGO探测到引力波，将极大地拓展人类观测宇宙的视野，意义非凡！在爱因斯坦时代，对黑洞这样的天体，只能依据广义相对论推算出来。即使到了后来的全波段天文学时代，由于黑洞从不发生任何电磁辐射，所以无法探测到。只对于一种特殊的双星系统，即一个黑洞和一个恒星构成的双星系统，可以利用吸积效应间接证明黑洞的存在。而对于双黑洞系统，由于根本不存在吸积效应，因此根本无法探知。此次，由于探测到了引力波，使得人类首次发现双黑洞系统。

黑洞的吸积效应

　　距今137亿年前的宇宙大爆炸以及宇宙的诞生过程，都释放出了引力波。这些引力波以光速且几无衰减的在浩瀚宇宙中传播了137亿年，如果有那么一天，人类捕捉到这样的引力波，必将使人类获得极其丰富的关于宇宙大爆炸及宇宙诞生过程的相关信息。LIGO探测到引力波，还使人类开启了另外一扇大门，那就是探测暗物质。我们知道，宇宙中所有已知天体物质的总和，在整个宇宙中的占比只有5%，而暗物质在整个宇宙中的占比却可以达到23%。目前，我们人类对于暗物质知之甚少。由于暗物质与外界的唯一关联就是引力作用，而且，这种引力作用非常微弱，所以一直以来，人类都无法探测到暗物质。随着引力波探测技术的不断发展，必将构建起人类探知暗物质的有效捷径。

灿烂的星空回荡着最美交响曲

　　一百年前，爱因斯坦以他超人的智慧谱写了一曲令人倍感神秘和惊奇的梦幻乐章，这美妙旋律穿越了百年时空，与LIGO谱写出的委婉细腻的华彩乐章，在浩瀚时空中交汇共鸣，合成了一部精美绝伦的宇宙交响曲！

【完】

文作者：王宁

图片：来自网络

图片注释：王宁

编辑：王宁