LIGO如何探測(cè)到引力波

　　最近，美國(guó)科學(xué)家宣稱，位于華盛頓州和路易斯安那州的激光干涉引力波天文臺(tái)(簡(jiǎn)稱LIGO)已成功探測(cè)到引力波。消息一經(jīng)傳出，全球科學(xué)界立即引起了轟動(dòng)，這是世紀(jì)性的、革命性的、振奮人心的重大發(fā)現(xiàn)，可以類比百年前的人類發(fā)現(xiàn)電磁波。這意味著，人類科學(xué)研究從電磁波時(shí)代進(jìn)入引力波時(shí)代，我們將從全新的探測(cè)窗口傾聽宇宙“歌唱”。電磁波的應(yīng)用與開發(fā)產(chǎn)生了無(wú)線電通訊，這徹底改變了人類交流與溝通方式，進(jìn)一步引發(fā)今天的信息革命時(shí)代來(lái)臨。一旦未來(lái)的引力波通訊技術(shù)開發(fā)成功，可能引導(dǎo)人類進(jìn)行跨越星際的交流，幫助人類走出地球這一生命的搖籃，向宇宙的深度進(jìn)軍。
　　
　　LIGO如何探測(cè)到引力波？
　　
　　激光干涉引力波天文臺(tái)（LaserInterferometerGravitationalWaveObservatory—LIGO）是美國(guó)建設(shè)的大型激光干涉儀，由加州理工學(xué)院和麻省理工學(xué)院負(fù)責(zé)運(yùn)行，分別坐落在美國(guó)北部的華盛頓州和南部的路易斯安那州，南北距離約2000多公里；干涉儀臂長(zhǎng)3公里和4公里，呈垂直布置。一旦引力波闖入地球，引發(fā)時(shí)空震蕩，造成干涉臂距離變動(dòng)，這將讓干涉儀的干涉條紋變化，依此確定引力波強(qiáng)度。
　　
　　據(jù)推算，本次宣布的引力波直接探測(cè)，其信號(hào)來(lái)自距離地球13億光年的雙黑洞的合并事件，持續(xù)時(shí)間約200毫秒，振蕩頻率30—150赫茲。兩個(gè)互相纏繞運(yùn)動(dòng)的黑洞質(zhì)量大約相當(dāng)于30個(gè)太陽(yáng)，它們?cè)谧罱K的毀滅性的碰撞合并時(shí)發(fā)出引力波爆發(fā)，此發(fā)現(xiàn)事件的探測(cè)時(shí)間是2015年9月14日（探測(cè)編號(hào)GW150914）。
　　
　　什么是引力波？
　　
　　愛因斯坦的廣義相對(duì)論（GR）在1915年提出、于1916年發(fā)表，這是關(guān)于引力場(chǎng)中物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律描述，而引力場(chǎng)是控制宇宙萬(wàn)物的四個(gè)基本相互作用之一，有物質(zhì)就產(chǎn)生引力場(chǎng)。諸如，地球上的蘋果為什么下落？為什么月球圍繞地球、地球圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)？這些就是萬(wàn)有引力現(xiàn)象的案例。牛頓引力定律只是低速度描述引力場(chǎng)的近似，而愛因斯坦給出更加完美的普適方程，并獲得大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證支持；牛頓引力理論無(wú)法給出引力波的概念，因?yàn)槠浞匠滩荒芴峁┹椛涞慕?。類比電磁波，有助我們概念的?jiǎn)化、生動(dòng)理解引力波的含義。廣義相對(duì)論的引力場(chǎng)方程可以獲得如同電磁場(chǎng)一樣的傳播解，其時(shí)空波動(dòng)的傳播速度是光速，依此愛因斯坦預(yù)言了引力波的存在。
　　
　　簡(jiǎn)單而形象比喻，電磁波是電磁能量的空間傳播，而引力波是時(shí)空引力能量的傳播。不同于電磁波，引力波是物質(zhì)能量劇烈加速變化引起時(shí)空形變的傳播；電磁波的源泉?jiǎng)t是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的震蕩傳播。但是兩者的傳播速度是一樣的，都是光速，即每秒30萬(wàn)公里（比較地球月球距離38萬(wàn)公里）。此外，引力波的震蕩模式（偏振）與電磁波稍有不同。
　　
　　引力波如何產(chǎn)生？
　　
　　為什么引力波的探測(cè)那么難？
　　
　　引力波發(fā)生在一個(gè)巨大的天體突然加速運(yùn)動(dòng)，就像當(dāng)恒星的超新星爆發(fā)時(shí)，或者當(dāng)兩個(gè)巨大的星體發(fā)生碰撞，或者兩個(gè)致密星體合并，諸如中子星與黑洞這類星體的碰撞與合并。由于距離遙遠(yuǎn)，引力波能量到達(dá)地球時(shí)的信號(hào)非常微弱。現(xiàn)在激光干涉引力波天文臺(tái)探測(cè)器檢測(cè)的精度相當(dāng)于，在北京觀測(cè)上海的原子運(yùn)動(dòng)，其難度可想而知。近100年來(lái)，全球科學(xué)家一直翹首以待這一宇宙物質(zhì)的波動(dòng)光顧地球。然而，尋找世間微弱的奇跡，談何容易，各種大型引力波探測(cè)器在世界各地建設(shè)，美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)堪稱之最。引力波能量微弱的原因可以類比電子與質(zhì)子的相互作用，兩者的電力作用相當(dāng)于其引力作用的10億倍，所以依此設(shè)想的引力波能量微弱。雖然引力波在宇宙到處存在，但是其微弱的能量使得我們難于探測(cè)到。
　　
　　引力波的探測(cè)主要有哪些方法？
　　
　　由于引力波爆發(fā)引起時(shí)空震蕩，使得物體產(chǎn)生微小抖動(dòng)，所以引力波觸發(fā)微小時(shí)空變化。諸如，黑洞合并時(shí)釋放出巨大引力波能量，地球的激光干涉引力波天文臺(tái)的干涉臂被引發(fā)微小的震動(dòng)；雙中子星系統(tǒng)的纏繞運(yùn)動(dòng)將釋放引力波，其軌道尺度變?。幻}沖星陣列的監(jiān)測(cè)可以反映引力波穿過(guò)時(shí)的漂移；引力波損失動(dòng)量可以導(dǎo)致脈沖星轉(zhuǎn)動(dòng)速度飽和，等等。對(duì)于上述現(xiàn)象的觀測(cè)和監(jiān)測(cè)，讓我們判斷引力波的存在證據(jù)。1974年，美國(guó)天文學(xué)家赫爾斯和泰勒，利用阿雷西博305米口徑射電望遠(yuǎn)鏡，觀測(cè)到雙中子星系統(tǒng)的軌道收縮，雖然每年3厘米的軌道變化，這與愛因斯坦的預(yù)言一致。由于他們間接證實(shí)引力波存在，于1993年兩人獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在引力波尋覓的征途上，歐洲、日本和澳大利亞也不甘落后，他們相繼建設(shè)各自的探測(cè)器，苦苦等待引力波投來(lái)激動(dòng)的漣漪。依據(jù)愛因斯坦理論推算，在幾千光年距離遠(yuǎn)的黑洞或中子星合并事件，其引力波強(qiáng)度可以被激光干涉引力波天文臺(tái)測(cè)到。
　　
　　本次引力波發(fā)現(xiàn)的可信度有多少？
　　
　　本次宣稱的引力波發(fā)現(xiàn)，是南北距離兩千多公里的兩個(gè)激光干涉儀的同步探測(cè)結(jié)果，但是本人對(duì)此有90%以上的可信度。那么，10%的疑慮是什么？其一，在美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)獲得引力波信號(hào)時(shí)，歐洲引力波設(shè)備VIRGO沒有反應(yīng)，缺少相應(yīng)的佐證信息；其二，引力波信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，多個(gè)衛(wèi)星探測(cè)器在空間工作，也沒有發(fā)現(xiàn)宇宙深處的Gamma射線爆發(fā)、X-射線爆發(fā)；而地面光學(xué)與射電望遠(yuǎn)鏡也沒有發(fā)現(xiàn)超新星爆發(fā)和射電爆發(fā)事件。當(dāng)然，激光干涉引力波天文臺(tái)可以如此反駁說(shuō)，雙黑洞外圍沒有大量吸積物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，其碰撞合并不會(huì)產(chǎn)生足夠多的電磁能量爆發(fā)。目前，激光干涉引力波天文臺(tái)的引力波發(fā)現(xiàn)還沒有外部佐證事件，這可能被詬病為孤立的“自證”發(fā)現(xiàn)事件。激光干涉引力波天文臺(tái)需要進(jìn)一步等待新的引力波信號(hào)到來(lái)，再次證實(shí)其發(fā)現(xiàn)的可靠性。就此，我們回顧一下歷史上的引力波事件。1979年，美國(guó)馬里蘭大學(xué)物理學(xué)家宣稱發(fā)現(xiàn)引力波，一時(shí)間轟動(dòng)世界，但是之后的質(zhì)疑聲音不斷。當(dāng)時(shí)探測(cè)引力波使用了鋁錠探測(cè)器，其靈敏度較低，現(xiàn)在看來(lái)那時(shí)很難探測(cè)到微弱的引力波信號(hào)。兩年前，也曾有人宣稱發(fā)現(xiàn)了宇宙引力波，可是后來(lái)經(jīng)過(guò)仔細(xì)審查，發(fā)現(xiàn)其誤差超過(guò)了預(yù)期。因此，我們還需要激光干涉引力波天文臺(tái)等待未來(lái)的再次引力波信號(hào)到達(dá)，如此才能打消我們的疑慮。
　　
　　LIGO探測(cè)到引力波的意義何在？
　　
　　引力波的發(fā)現(xiàn)將是物理學(xué)100年來(lái)最大的突破之一。到此，愛因斯坦全部預(yù)言獲得驗(yàn)證，這為廣義相對(duì)論畫上完美句號(hào)。引力波曾經(jīng)間接被發(fā)現(xiàn)，但是直接探測(cè)這還是首次。正如美國(guó)科學(xué)家所言，引力波的證實(shí)是廣義相對(duì)論的最后一個(gè)“拼圖”，廣義相對(duì)論的其他幾大驗(yàn)證早就被實(shí)驗(yàn)所證明，包括：水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)、光線在引力場(chǎng)偏折、引力紅移、雷達(dá)回波時(shí)間延遲、黑洞、自旋進(jìn)動(dòng)。
　　
　　電磁波動(dòng)的宇宙背景在上世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)，引力波在時(shí)空背景波動(dòng)的發(fā)現(xiàn)，將深化我們對(duì)宇宙的了解，科學(xué)研究進(jìn)入引力波天文學(xué)時(shí)代。引力波的發(fā)現(xiàn)好比百年前的電磁波發(fā)現(xiàn)，這將是世紀(jì)重大發(fā)現(xiàn)事件，將深遠(yuǎn)影響人類未來(lái)?；叵胍话俣嗄昵?，英國(guó)科學(xué)家法拉第和麥克斯韋提出和創(chuàng)立電磁理論，預(yù)言電磁波的存在。電磁波是電磁偶極子器件震蕩，導(dǎo)致電磁場(chǎng)在空間以光速傳播。德國(guó)科學(xué)家赫茲首先實(shí)現(xiàn)和證實(shí)電磁波的發(fā)射接收，其后意大利科學(xué)家馬可尼發(fā)明無(wú)線電報(bào)，美國(guó)科學(xué)家莫爾斯發(fā)展了有線電報(bào)。今天，我們的手機(jī)、廣播電視，全是電磁波通信，這徹底改變了人類的信息交流方式。
　　
　　引力波通信可以與遙遠(yuǎn)的宇宙實(shí)施聯(lián)絡(luò)，而減少干擾；由于電磁波受到大氣層等離子體干擾、太陽(yáng)風(fēng)干擾，以及銀河系電荷干擾，所以電磁信號(hào)傳輸距離有限。引力波是物質(zhì)時(shí)空的振蕩，傳播速度與電磁波一樣，但是它是物質(zhì)加速運(yùn)動(dòng)造成的時(shí)空能量波動(dòng)，而不是電磁場(chǎng)的波動(dòng)，所以不受宇宙到處分布的電荷干擾?？梢栽O(shè)想，高度文明的外星人已經(jīng)使用引力波通信技術(shù)，進(jìn)行星際通訊傳播信息，可惜地球人類無(wú)法接收其信號(hào)；而我們的電磁信號(hào)即使傳到其他星球，也可能信息失真，這導(dǎo)致我們彼此在茫茫宇宙中互相尋找，不得知己。
　　
　　現(xiàn)在，太陽(yáng)系已經(jīng)走完45億年歷史，太陽(yáng)壽命只有100億年，因此逃離太陽(yáng)系是未來(lái)人類必須解決的問(wèn)題，否則人類將與太陽(yáng)一起在末日的燃燒中終結(jié)。假如借助引力波通訊技術(shù)，接收高智慧的外星人信息，人類獲得更多宇宙的知識(shí)，他們將教會(huì)我們?nèi)绾蔚接钪嫔钐幷业叫碌募覉@，讓我們逃離地球的險(xiǎn)惡環(huán)境。在21世紀(jì)，我們可能“傾聽”到外星人的引力波“歌唱”，或許這引導(dǎo)我們?cè)谖磥?lái)與外星人匯合。找到宇宙深處的“自我”，這或許是人類科學(xué)好奇心的原初驅(qū)動(dòng)力，也許是宇宙生命的終極意義吧。