传播丨引力波的故事——王宗篪 （三明学院）
我是引力波小精灵，我于1906年被爱因斯坦爷爷从他在1905年创建的广义相对论的引力场方程中放出来，距今有一...
先说大精灵被捕捉情况。爱因斯坦认为，物质的分布和运动会影响时空的几何结构,引力场会使周围时空弯曲。在弯曲的时空中，光线将沿着一条弯曲的轨迹行进，光的运行轨迹也必定是曲线。爱因斯坦选择了太阳系的太阳引力场用广义相对论来计算，结果表明,当遥远的星光掠过太阳表面时，将会发生1.7秒的偏转，这一预言可以通过日全食时进行观测检验。1919年，英国天文学家爱丁顿和戴维逊分别率领考察队，在西非几内亚湾的普林西比岛和巴西东北海岸两地观察日全食，他们观测值分别是
秒和
秒，证实了星光偏折值与爱因斯坦预言一致。当爱丁顿的观测结果一宣布，立即轰动世界，爱因斯坦与相对论迅速传遍全球，爱因斯坦由此扬名天下，成为家喻户晓的大科学家。
再说我这个小精灵为什么难以被捕捉到。引力场本质上是时空弯曲效应，这种效应又以光速传播，那么引力源运动、变化所造成的时空弯曲改变也一定会以光速传向远方，这就是引力波。1916年，爱因斯坦在他的引力场方程中发现了所谓的弱引力场下的波动解，这个解便描述了引力波，因此，爱因斯坦预言了引力波存在。从类比的方式看，引力波类似于水面上水的波动。当水面振荡的时候，它的振荡会以水波的形式传播出去，即在水面上我们看到水的涟漪现象。类似的，时空几何的振荡也会以引力波的形式传播，即产生时空中的涟漪现象，但是，引力波是按照光速传播的。引力波对物质的作用是怎样的？也可以类比水波的情况。以水波的一个波长，考虑在半个波长以内浮在水面上的船。这些船随着水波上下振动，距离比较近的船，它们由水波导致的高度差就比较小，而距离比较远的船，由水波引起的高度差就比较大，引力波也于此类似。当引力波入射的时候两个物体之间的距离会产生变化，产生距离变化的比例是引力波的波幅h。引力波是一个横波，它影响的是跟引力波传播方向垂直平面内的横向距离，沿着引力波方向的纵向距离是没有变化的。我们在水面上扔一块石头，很容易观察到水面的波纹。但是，要在地面上产生可观测的引力波是非常非常困难的。假设地面上有一根坚固的轻质棒，长为10米，两头绑有质量达1吨重物，以10赫兹的频率转动。这一系统辐射的引力波，其波长达到1.5 万公里，大约是地球直径的尺度，如果我们在地球的另一端接受引力波信号，这时引力波引起时空弯曲的应变h只有10-43，它是非常非常微小，难怪爱因斯坦断言，引力波无法被探测到。要产生足够大的引力波需要非常大质量的或者是非常高能量的物体以非常快的加速度运动。比如氢弹的爆炸，把氢弹爆炸的能量全部转化成动能，用这个动能来辐射引力波，可以发现在爆炸附近１米处引力波的波幅是10-27。如果地面上两个人的距离是1米，这两个人的距离变化是10-27米，也是非常非常微小的，氢弹爆炸都不能产生足够强的引力波，这就说明引力波是很难在地面上产生的物理现象。再考虑地球绕太阳相互转动的系统产生的引力波，计算表明整个系统引力辐射功率大约只有200瓦特，而太阳电磁辐射的功率是它的1022倍。可以想象得到，照亮一个房间的200瓦特电灯泡的功率，散发到太阳-地球系统这样一个诺大的空间中，引力波引起时空弯曲变化的效果是微乎其微。所以，地球-太阳体系发射的微小引力波也无法被检测到。那么，是不是我这个小精灵就无法被人类捕捉到呢？，不是的！因为宇宙中存在许多大的引力波源，比如中子星和黑洞等天体，在某个特定的时候便有可能辐射出强大的引力波。尽管这些天体一般都远离地球，从而引力波到达地球时已经有很大衰减，但仍然有可能被人们探测到。
最后说科学家如何通过百年不懈努力捕捉到我这个引力波小精灵的。虽然引力波很难探测到，但是它也没能阻止科学家去探索的步伐。从20世纪60年代开始，美国科学家韦伯最早尝试探测引力波。他利用一个被称为韦伯棒的铝合金圆柱体作为探测器来探测引力波，引力波会使得韦伯棒发生“共振”，安装在探测器上的转换器可以监测不同振动模式的复杂振幅。韦伯使用的圆柱体共振棒长2米，圆桶直径为1米，重约1吨。1968年,韦伯宣布他利用共振棒探测到了引力波。但是，他的实验有两个问题，一是没有办法重复，二是他探索到的信号也没有天体物理的适当原因可以解释。所以大家普遍认为他的引力波探测是没有成功的。然而，他开创了引力波探测领域。
20 世纪70 年代，美国科学家赫尔斯和泰勒发现了脉冲双星PSR 1913+16，通过对脉冲双星的长期观测，发现这对双星的公转周期每年减少约万分之一秒。他们研究认为，这是双星公转辐射引力波，造成公转能量损失导致双星的公转周期的减少。他们根据爱因斯坦理论计算出辐射引力波的结果与对该双星系统的周期变化观测结果符合得很好，这一成果间接证明了引力辐射的存在。1993年，他们获得了诺贝尔物理学奖。
然而人们直接探测引力波的努力一直没有放弃。20世纪70年代，美国科学家韦斯等人提出利用激光干涉仪来探测引力波。其原理如下：激光打到一个分束镜，分成两束，沿着很长的距离传播以后，在镜子上分别反射，返回到分束镜上。如果两束的臂长一样，这两束返回来的光会在分束镜上合成一束从入射口回去，另外一口是没有光的。但是，如果有引力波，镜子的位移就会引起两束返回的光在分束镜上的相位有所变化，导致在没有光的口会产生信号光。把信号光检测出来以后，就可以探测出引力波。
激光干涉方法的好处是，可以把臂做得很长，臂越长就越可以放大引力波导致镜子位置的微小变化。激光干涉的灵敏度，使对镜子位置变化的测量达到10-18米。如果考虑头发丝的细度是10-6米，降低1万倍就变成氢原子的大小10-10米，再减少10万倍，就是氢原子核的大小10-15米。最后得到这个长度是氢原子核大小的1/1000，因此激光干涉引力波测量仪是非常灵敏的仪器。既然可以测到这么灵敏的位移变化，就要保证没有其他非引力波的因素产生的干扰信号。一个必要条件是将激光干涉系统放在非常高的真空里，防止气体分子对激光传播的影响导致虚假的信号。另外，就是要把反射光的镜子悬挂起来，把镜子和地面的振动完全隔离开。这样就可以形成灵敏度非常高的引力波探测装置。1984年，美国科学家索恩、德雷弗和韦斯领导了激光干涉引力波天文台（LIGO）计划。1994年，LIGO获得美国国家科学基金会3.95亿美元的资金支持，建设成为世界上最大的引力波探测仪。2002年，LIGO搭建完成并开始了对引力波的探测。2004年，LIGO开始了升级，新的高级（Advanced）LIGO开始搭建，并在2015 年开始运行。两个相距3002千米的相同的高级LIGO分别位于美国华盛顿州汉福德市和路易斯安那州利文斯顿市，每个LIGO就是两个相互垂直的臂长为4 千米的迈克尔逊激光干涉仪。地面探测引力波的装置除了美国的LIGO之外，还有位于意大利的Virgo（臂长为3千米），德国的GEO600（臂长为600米）等，这些激光干涉仪一起构成的网络可以用来定位引力波源。
2016年2月11日，LIGO 宣布，他们在2015年9月14日观测到了来自距离我们13.4 亿光年的两个黑洞并合时释放的引力波，并推测出两个黑洞的质量分别为36及29个太阳质 量，并合后形成了质量为62个太阳质量的黑洞，缺失的3个太阳质量以引力波的能量辐射出来，这个发生在13.4亿年前的引力波信号被命名为GW150914，它先被位于利文斯顿市的干涉仪探测到，6.9毫秒后被位于汉福德市的干涉仪探测到。至此，人类历史上第一次直接观测到了引力波，证实了爱因斯坦百年前预言，我这个小精灵终于在百年之后被人类捕捉到。
随后的2016年6月15日，LIGO 又宣布观测到第二个引力波信号，这个信号发生在2015年12月26日，来自距离我们14光年的质量为14.2个太阳质量及7.5个太阳质量的两个黑洞的并合，并合后的黑洞质量为20.8个太阳质量，缺失的0.9个太阳质量以引力波的能量辐射出来，这个信号被命名为GW151226。2017年 5月31日，LIGO和Virgo科学合作组织举行了一次内部媒体发布会，确认了第三次引力波事件。这个信号发生在2017年1月4日，来自距离我们30光年的质量为31.2个太阳质量及19.4个太阳质量的两个黑洞的并合，并合后的黑洞质量为40.7个太阳质量，缺失的1.9个太阳质量以引力波的能量辐射出来，这个信号被命名为GW170104。
为了捕捉到我这个引力波小精灵，科学家经过了百年的不懈努力！有人可能会问，这值得吗？回答是，超值的。首先，探测到引力波为人类开创了引力波天文学的新时代。我们现在观察天体、探测宇宙的主要手段是望远镜，光学望远镜、射电望远镜都是用电磁波来观察（“看”）天体及它的运动。然而，电磁波很容易被天体到观察者之间的尘埃云散射或者吸收，而引力波可以几乎不受影响地穿过它们。因此，引力波为人类探索宇宙打开了一扇全新的窗口。通过引力波的探测，我们可以“听”到宇宙运动的美妙声响，深化人类对天体运动和宇宙演化规律的认识。其次，科学家为进行引力波探测，发展了大量的尖端高新技术。比如，微小位移测量技术、精密隔振技术、高频率稳定度的高端激光技术、大尺度的精确测量技术、高噪声本底的数据处理技术和遥控及信号传输技术等。这些技术已经广泛应用于高科技的其他领域，使人类对引力波探测做出的努力是物超所值！
闽江科学传播学者
三明学院
王宗篪
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