2月11日，LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)）宣布：發(fā)現(xiàn)距離地球約13億光年的兩個(gè)黑洞并合產(chǎn)生的引力波。此發(fā)現(xiàn)不僅證實(shí)引力波的存在，而且補(bǔ)上了愛因斯坦提出的廣義相對(duì)論一塊關(guān)鍵的拼圖。

如果愛因斯坦現(xiàn)在還活著，他將會(huì)再次獲得諾貝爾獎(jiǎng)。當(dāng)然今天引力波的發(fā)現(xiàn)者也有充分的理由榮膺這一殊榮。

廣義相對(duì)論為什么要改變引力觀

為什么蘋果總是垂直地落到地面？為什么不從側(cè)面又或是向上，而是永遠(yuǎn)朝向地球的中心？一定有某種力量把蘋果垂直地拉向地面。這種力量甚至可以延伸到更遠(yuǎn)的距離以至于整個(gè)廣袤的宇宙空間。正是引力把宇宙中的物質(zhì)聚集在一起，孕育了璀璨的宇宙結(jié)構(gòu)乃至生命。

1687年，牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中正式發(fā)表了他的引力理論：“宇宙中每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都以一種力吸引著其它各個(gè)質(zhì)點(diǎn)。這種力與各質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量乘積成正比，與它們之間的距離平方成反比。”引力并非只存在于特定的質(zhì)點(diǎn)之間，而是普遍存在于宇宙中任何兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)之間。因此引力是“萬(wàn)有的”。那個(gè)時(shí)代的人們信奉絕對(duì)的時(shí)空觀：時(shí)間就是時(shí)間、空間就是空間，這兩者是截然不同的兩個(gè)概念。在牛頓引力理論中質(zhì)點(diǎn)間引力相互作用的傳遞不需要時(shí)間，而是在空間上瞬間傳遞。這種觀念主導(dǎo)了之后兩百多年人類對(duì)引力的認(rèn)知。

直到1905年，愛因斯坦提出狹義相對(duì)論才打破自牛頓以來(lái)建立的絕對(duì)時(shí)空觀。在狹義相對(duì)論中，時(shí)間和空間不再是完全獨(dú)立的概念：時(shí)間和空間是相對(duì)的。無(wú)論光源如何運(yùn)動(dòng)，真空中的光速對(duì)于不同的觀測(cè)者都是有限且一樣的，而且任何相互作用的傳遞都不能超過(guò)光速。這明顯與牛頓引力理論相沖突。

為了協(xié)調(diào)牛頓引力理論和狹義相對(duì)論，1915年愛因斯坦提出了廣義相對(duì)論。引力被解釋為時(shí)空幾何的彎曲，這種彎曲又直接由時(shí)空中物質(zhì)的能量動(dòng)量張量決定。地球?qū)μO果的引力源于地球巨大的質(zhì)量扭曲了地球周圍的時(shí)空，蘋果在被地球扭曲的時(shí)空背景上向著地心運(yùn)動(dòng)。就像在一張蹦床中間放置一個(gè)鉛球，這個(gè)鉛球改變了蹦床的形狀。如果再在蹦床上放置一個(gè)網(wǎng)球，那么這個(gè)網(wǎng)球就會(huì)向著這個(gè)鉛球的中心滾落?？瓷先ゾ拖袷沁@個(gè)鉛球在吸引著這個(gè)網(wǎng)球向它靠攏。對(duì)普羅大眾而言，廣義相對(duì)論聽起來(lái)像是一個(gè)高度抽象而又與大家每天的生活完全無(wú)關(guān)的理論。事實(shí)絕非如此！比如現(xiàn)在廣泛使用的全球定位系統(tǒng)就需要計(jì)入狹義和廣義相對(duì)論的修正才得以實(shí)時(shí)地精準(zhǔn)測(cè)定地面上物體的位置。

在牛頓引力理論中引力是瞬時(shí)傳播的，因此沒(méi)有引力波。但是，在廣義相對(duì)論中物質(zhì)對(duì)時(shí)空幾何的影響不是瞬時(shí)的，引力相互作用傳遞的速度不能超過(guò)光速。這種傳播速度的限制導(dǎo)致引力波的存在。加速一個(gè)有質(zhì)量的物體時(shí)，這個(gè)物體所產(chǎn)生的時(shí)空彎曲所發(fā)生的變化會(huì)以光速像波一樣向外傳播。這就是引力波。1916年愛因斯坦寫下了廣義相對(duì)論中引力波的精確公式，從而預(yù)言存在以光速傳播的引力波。

“激光干涉效應(yīng)”是個(gè)天才設(shè)想

當(dāng)引力波迎面穿過(guò)遙遠(yuǎn)的觀測(cè)者時(shí)，觀測(cè)者會(huì)發(fā)現(xiàn)他一會(huì)兒變高變瘦、一會(huì)兒又變矮變胖、一會(huì)兒又變高變瘦，如此循環(huán)往復(fù)。

盡管愛因斯坦預(yù)言存在引力波，但是由于引力波輻射的能量常常過(guò)于微小，以至于在所能想到的情況下引力波輻射都是可以忽略不計(jì)的。地球距離半人馬座如此遙遠(yuǎn)以至于光都需要跑上大約4.3億年。但是引力波造成地球和半人馬座之間距離的變化也就只有約一根頭發(fā)絲般大小。探測(cè)引力波就是要去發(fā)現(xiàn)如此微小的距離變化。或許愛因斯坦甚至都未曾想過(guò)他當(dāng)年所預(yù)言的引力波在百年之后的今天真的可以被探測(cè)到！看來(lái)做科學(xué)研究也是要敢想才會(huì)贏。

很顯然，要探測(cè)到引力波需要兩個(gè)條件：其一是要有足夠強(qiáng)的引力波源；其二是要有足夠靈敏的探測(cè)器。

宇宙中有各種各樣的引力波源。螺旋形相互靠近的兩個(gè)致密天體在相互環(huán)繞和并合時(shí)會(huì)發(fā)射出強(qiáng)大的引力波。就像兩個(gè)鉛球在蹦床上相互環(huán)繞運(yùn)動(dòng)時(shí)蹦床會(huì)起伏、震顫，而且這種起伏、震顫像波浪一樣向外傳播。這兩個(gè)天體越重，它們靠得越近，那么這樣的一個(gè)雙星系統(tǒng)產(chǎn)生的引力波就越強(qiáng)。要同時(shí)滿足這兩個(gè)條件需要這兩個(gè)天體十分致密。在宇宙中這樣的致密天體主要有白矮星、中子星和黑洞。特別是黑洞，它在極小的半徑內(nèi)聚集大量的質(zhì)量，以至于產(chǎn)生極強(qiáng)的引力導(dǎo)致光都無(wú)法從中逃逸出來(lái)。舉一個(gè)例子：太陽(yáng)的質(zhì)量大約是2千億億億噸，半徑大約是70萬(wàn)公里，而一個(gè)和太陽(yáng)同等質(zhì)量的黑洞的半徑只有約3公里。一般認(rèn)為最有希望探測(cè)到的引力波將會(huì)來(lái)自雙黑洞并合。不幸的是雙黑洞并合的事件在我們的銀河系中大約每百萬(wàn)年才發(fā)生一次。如果探測(cè)距離可以擴(kuò)展到數(shù)十億光年的距離，這個(gè)距離之內(nèi)有數(shù)百萬(wàn)個(gè)星系，那么人們?nèi)杂袡C(jī)會(huì)探測(cè)到在遙遠(yuǎn)的地方發(fā)生的黑洞并合所釋放出來(lái)的引力波。

要測(cè)量微小的距離變化，就需要想辦法把這種微小的變化盡可能地放大到足以被感知的程度。上世紀(jì)九十年代，美國(guó)麻省理工大學(xué)的維斯就想到一個(gè)絕妙的辦法：利用激光的干涉效應(yīng)來(lái)偵測(cè)引力波。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是讓一束激光以45度角打到一個(gè)半透鏡上。之后這束激光被分成兩束分別朝著透射和反射兩個(gè)互相垂直的方向行進(jìn)，然后各自撞到一面反射鏡后反射回來(lái)重新匯聚。如果兩面反射鏡和透射鏡的距離精確相等，匯聚后的激光就會(huì)由于干涉而相互抵消。當(dāng)引力波傳來(lái)時(shí)，這兩面反射鏡到透射鏡的距離就會(huì)發(fā)生微小的變化（沿著一個(gè)方向收縮，沿其垂直方向延展）。這種微小的距離變化最終影響匯聚后激光的干涉條紋。這就是利用激光干涉探測(cè)引力波的基本原理。