引力波

　　能量來源

　　廣義相對論預(yù)言下的引力波來自于宇宙間帶有強(qiáng)引力場的天文學(xué)或宇宙學(xué)波源，作為以波動形式和有限速度傳播的引力場。按照廣義相對論，加速運(yùn)動的質(zhì)量會產(chǎn)生引力波。包括銀河系內(nèi)的雙星系統(tǒng)（白矮星、中子星或黑洞等致密星體組成的雙星），河外星系內(nèi)的超大質(zhì)量黑洞的合并，脈沖星的自轉(zhuǎn)，超新星的引力坍縮，大爆炸留下的背景輻射等等。

　　愛因斯坦的廣義相對論描述具有質(zhì)量的物體如何在時空環(huán)境下彎曲，可形象地形容為提供一張緊繃的床單，然后將足球放在床單中心，具有質(zhì)量的物體在時空下發(fā)生的彎曲，猶如足球周圍出現(xiàn)褶皺的床單。但它也像湖面上泛成的波紋，由加速物體導(dǎo)致的時空環(huán)境失真將逐漸衰減，因此，當(dāng)它們抵達(dá)地球范圍，則非常難以被探測到，但不是不可能探測到。舒茨說：“在我的意識中，探測引力波將打開調(diào)查宇宙的新途徑，我們期望能從合并黑洞中頻繁地探測到引力波，這里的引力波將攜帶真實可靠的信息。由于引力波是黑洞噴射的唯一放射線，我們將首次直接觀測到黑洞。”

　　歷史發(fā)展

　　間接探尋

　　20世紀(jì)60年代，美國馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家韋伯（Joseph Weber）首先提出了一種共振型引力波探測器。該探測器由多層鋁筒構(gòu)成，直徑1米，長2米，質(zhì)量約1000千克，用細(xì)絲懸掛起來。當(dāng)引力波經(jīng)過圓柱時，圓柱會發(fā)生共振，進(jìn)而可以通過安裝在圓柱周圍的壓電傳感器檢測到。韋伯曾經(jīng)在相距1000千米的兩個地方同時放置了相同的探測器，只有兩個探測器同時檢測到相同的信號才被記錄下來。1968年，韋伯宣稱他探測到了引力波，立刻引起了學(xué)界的轟動，但是后來的重復(fù)實驗都一無所獲。

　　雖然引力輻射并未被清清楚楚地“直接”測到，然而已有顯著的“間接”證據(jù)支持它的存在。最著名的是對于脈沖星（或稱波霎）雙星系統(tǒng)PSR1913+16的觀測。這系統(tǒng)被認(rèn)為具有兩顆中子星，以極其緊密而快速的模式互相環(huán)繞對方。其并且呈現(xiàn)了漸進(jìn)式的旋近(in-spiral)，旋近時率恰好是廣義相對論所預(yù)期的值。根據(jù)廣義相對論，該雙星系統(tǒng)會以引力波的形式損失能量，軌道周期每年縮短76.5微秒，軌道半長軸每年減少3.5米，預(yù)計大約經(jīng)過3億年后發(fā)生合并。對于這樣的觀測，最簡單(也幾乎是廣為接受)的解釋為：廣義相對論一定是對這種系統(tǒng)的重力輻射給出了準(zhǔn)確的說明才得以如此。

　　用激光干涉方法或許可以探測這個雙星系統(tǒng)的引力波。自1974年，泰勒（Joseph Hooton Taylor）和赫爾斯（Russell Alan Hulse）和對這個雙星系統(tǒng)的軌道進(jìn)行了長時間的觀測，在1980年，他們也是采用精密的射電儀器，由實驗行到觀察值為（3.2±0.01）×10 ^-12，與理論計算值在誤差范圍內(nèi)正好符合。這可以說是引力波的第一個定量證據(jù)。泰勒和赫爾斯也因這項工作于1993年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。

　　2012年12月，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所湯克云研究員領(lǐng)銜的科學(xué)組，在實施多次日食期間的固體潮觀測后，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行地球固體潮公式實際上暗含著引力場以光速傳播的假定，從而提出用固體潮測量引力傳播速度的方法。最終獲得全球“引力場以光速傳播”的第一個觀測證據(jù)。

　　精確測量

　　1991年，麻省理工學(xué)院與加州理工學(xué)院在美國國家科學(xué)基金會（NSF）的資助下，開始聯(lián)合建設(shè)“激光干涉引力波天文臺”（LIGO）。LIGO的主要部分是兩個互相垂直的干涉臂，臂長均為4000米。在兩臂交會處，從激光光源發(fā)出的光束被一分為二，分別進(jìn)入互相垂直并保持超真空狀態(tài)的兩空心圓柱體內(nèi)，然后被終端的鏡面反射回原出發(fā)點，并在那里發(fā)生干涉。若有引力波通過，便會引起時空變形，一臂的長度會略為變長而另一臂的長度則略為縮短，這樣就會造成光程差發(fā)生變化，因此激光干涉條紋就會發(fā)生相應(yīng)的變化。

　　LIGO 從 2003 年開始收集數(shù)據(jù)。它是全世界最大的、靈敏度最高的引力波探測所。而全世界共有4個引力波探測器，兩個探測器部署在華盛頓州漢福德市，一個探測器部署在路易斯安那州利文斯頓市。另外一個探測器位于意大利Cascina地區(qū)，是VIRGO計劃的一部分。

　　這兩套 LIGO 干涉儀在一起工作構(gòu)成一個觀測所。這是因為激光強(qiáng)度的微小變化、微弱地震和其它干擾都可能看起來像引力波信號，如果是此類干擾信號，其記錄將只出現(xiàn)在一臺干涉儀中，而真正的引力波信號則會被兩臺干涉儀同時記錄。此外，對引力波的檢測需要極其高的技術(shù)條件：比如隔離真空、隔離振動等。隔離振動包括外部環(huán)境致使的振動和內(nèi)部設(shè)備引起的振動。所以，科學(xué)家可以對二個地點所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得知哪個信號是噪聲。

　　直接探測

　　2016年2月11日，LIGO宣布，于2015年9月14日首次探測到引力波，證實了愛因斯坦100年前所做的預(yù)測，直接探測到引力波的存在，彌補(bǔ)了愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最后一塊缺失的“拼圖”?？茖W(xué)家花費數(shù)個月時間驗證數(shù)據(jù)并通過審查程序，才宣布這個訊息，標(biāo)志著全球各地研究團(tuán)隊數(shù)十年努力的最高潮。

　　能量性質(zhì)

　　引力波是橫波，在遠(yuǎn)源處為平面波；有兩個獨立的偏振態(tài)；攜帶能量等。引力波攜帶能量，應(yīng)可被探測到 。但引力波的強(qiáng)度很弱，而且，物質(zhì)對引力波的吸收效率極低，直接探測引力波極為困難。曾有人宣稱在實驗室里探測到了引力波，但未得到公認(rèn)。天文學(xué)家通過觀測雙星軌道參數(shù)的變化來間接驗證引力波的存在 。例如，雙星體系公轉(zhuǎn)、中子星自轉(zhuǎn)、超新星爆發(fā)，及理論預(yù)言的黑洞的形成、碰撞和捕獲物質(zhì)等過程，都能輻射較強(qiáng)的引力波。我們所預(yù)期在地球上可觀測到的最強(qiáng)引力波會來自很遠(yuǎn)且古老的事件，在這事件中大量的能量發(fā)生劇烈移動（例子包括兩顆中子星的對撞，或兩個極重的黑洞對撞）。這樣的波動會造成地球上各處相對距離的變動，但這些變動的數(shù)量級應(yīng)該頂多只有10^-21。以LIGO引力波偵測器的雙臂而言，這樣的變化小于一顆質(zhì)子直徑的千分之一。

　　觀測意義

　　引力波的觀測意義不僅在于對廣義相對論的直接驗證，更在于它能夠提供一個觀測宇宙的新途徑，就像觀測天文學(xué)從可見光天文學(xué)擴(kuò)展到全波段天文學(xué)那樣極大擴(kuò)展人類的視野。英國天文物理學(xué)大師霍金表示，他相信這是科學(xué)史上重要的一刻。“引力波提供看待宇宙的嶄新方式，發(fā)現(xiàn)它們的能力，有可能使天文學(xué)起革命性的變化。這項發(fā)現(xiàn)是首度發(fā)現(xiàn)黑洞的二元系統(tǒng)，是首度觀察到黑洞融合。”

　　傳統(tǒng)的觀測天文學(xué)完全依靠對電磁輻射的探測，而引力波天文學(xué)的出現(xiàn)則標(biāo)志著觀測手段已經(jīng)開始超越電磁相互作用的范疇，引力波觀測將揭示關(guān)于恒星、星系以及宇宙更多前所未知的信息。

　　因為引力波直接聯(lián)系著波源整體的宏觀運(yùn)動，而非如電磁波那樣來自單個原子或電子的運(yùn)動的疊加，因此引力輻射所揭示的信息與電磁輻射觀測到的完全不同。例如對一個雙星系統(tǒng)觀測到的引力波的偏振揭示了其雙星軌道的傾斜度，這類關(guān)于波源運(yùn)動的宏觀信息通常無法從電磁輻射觀測中取得。

　　如果比較波長與波源尺寸的關(guān)系，宇宙間的引力波并不像電磁波那樣波長比波源尺寸小很多，這使得引力波天文學(xué)通常不能像電磁波天文學(xué)那樣對波源進(jìn)行拍照成相，而是類似聲波直接從波形分析波源的性質(zhì)。 大多數(shù)引力波源很難或根本無法通過電磁輻射直接觀測到（例如黑洞），這個事實反過來也成立；考慮到一般認(rèn)為宇宙間不發(fā)射任何電磁波的暗物質(zhì)所占比例要遠(yuǎn)大于發(fā)射電磁波的已知物質(zhì)，暗物質(zhì)與外界的唯一相互作用即是引力相互作用，引力波天文學(xué)對這些暗物質(zhì)的觀測具有重要意義。

　　引力波與物質(zhì)的相互作用非常弱，在傳播途徑中基本不會像電磁波那樣容易發(fā)生衰減或散射，這意味著它們可以揭示一些宇宙角落深處的信息，例如宇宙誕生時形成的引力輻射至今仍然在宇宙間幾乎無衰減地傳播，這為直接觀測大爆炸提供了僅有的可能。