人類對引力波的探測進行到什麼程度了

  電影和現實中的引力波探測

  在《星際穿越》中，布蘭德教授在土星附近發現了蟲洞。這是拉撒路計劃實現的前提。事實上，那個蟲洞非常小，如果不是事先知道，從地球上將很難發現。電影中並沒有提及布蘭德教授是如何找到它的，但在科學設定書中，索恩教授認為布蘭德教授的信息來源是引力波。

  在《星際穿越》的科學設定中，布蘭德教授在某一天突然從LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Ob-servatory，激光干涉引力波天文台)的探測數據中發現了強烈的引力波信號，而這個信號居然來自土星方向。這個引力波並不是蟲洞產生的。按照基普·索恩的設定，這個引力波信號實際上來自於蟲洞另外一端相互緊密繞轉的中子星和黑洞，它們的引力波部分地通過蟲洞傳播到了地球。

  雙黑洞系統發射引力波的藝術示意圖。

  網格的扭曲代表了空間受到引力波的扭曲。什麼是引力波?當兩個天體互相繞轉的時候，它們的引力對空間的扭曲是隨時間變化的。如果有人在水池中央攪動水面，水面的變化會以波動的形式傳向四方。類似的，相互繞轉天體造成的空間變化也會向各個方向傳播開來。這種由引力場變化造成的空間波動就是引力波。引力波是愛因斯坦相對論理論的重要預言。但在相對論發現后100年間，引力波都沒有被直接探測到。

  1974年，美國麻省大學阿莫斯特分校的教授泰勒和他的學生羅素利用位於波多黎各的阿雷西博射電望遠鏡第一次發現了一對互相繞轉的脈衝星。在經過了長達30年的監視后，泰勒發現這兩個雙星的距離竟然在逐漸縮短。為什麼?泰勒想到了引力波。

  就好像電磁波會攜帶電磁能，引力波也攜帶著能量。繞轉的雙星不斷發射引力波，會使得它們自己的引力勢能減少，從而越靠越近。泰勒觀測到的雙星距離縮短速率和廣義相對論預言精確地符合(精度好於1%)。泰勒和羅素的發現被認為是引力波存在的重要證據，他們因此獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。

  我們可能直接探測到引力波嗎?在寫作這本小書的最後階段(2016年2月)，LIGO引力波探測器確實第一次探測到了引力波。整個科學界為之轟動，因為愛因斯坦理論的最後一塊拼圖被完善了。

  這次觀測到的引力波事件，是由一個36太陽質量和一個29太陽質量的黑洞合併發出的。合併后的黑洞質量是62太陽質量，說明有3個太陽質量的能量以引力波的形式放出(誤差0.5太陽質量)。探測的統計顯著度是5.1個sigma，按照物理學界慣例，可以被稱作發現。統計上講，這個顯著度意味著203000年才會產生一次由雜訊造成的誤判。

  這個引力波源，遠在銀河系之外，距離我們差不多是13億光年外(紅移0.09)。比較一下的話，這個距離差不多是我們到最近星系團室女團距離的二十多倍，是銀河系大小的16000倍。

  整個引力波觀測過程0.4秒，其中雙黑洞合併的一瞬間只有0.05秒(圖3.8)。雙黑洞合併幾乎在一瞬間就將3太陽質量等效的能量以引力波形式發射出去，功率頂峰高達200太陽質量/秒。什麼意思呢，這是全宇宙恆星功率和的50倍。所以雖然我們看不見，甚至很難感覺到，但是引力波確實是宇宙中強大的能量事件。

  LIGO是如何直接探測到引力波的呢?引力波本質上是空間的形變在傳播。如果引力波傳到地球，我們會在一個方向上被拉伸，在另一個方向上被擠壓。LIGO計劃就是要測量這種效應。LIGO有兩條長臂，相互垂直。每條臂長達4公里。LIGO的長臂實際上是高度真空的長管。在每條長臂的兩段懸挂著直徑34厘米的反射鏡，LIGO探測器利用激光干涉，不間斷地測量每對反射鏡之間的距離。

  當引力波傳過探測器時，人們會探測到這兩對反射鏡之間的距離呈現此消彼長式的周期變化。LIGO探測器一共建成了兩座，分別位於美國的華盛頓州和路易斯安那州，兩地相距3000公里。當引力波以光速傳播，因此如果一束可探測的引力波掃過地球，兩座LIGO探測器探測到信號的時間將有10毫秒量級的時間差。精確測量這個時間差可以幫助研究者確定引力波發出的方向。

  但是引力波是非常微弱的，因為相比其他三種力(強力、弱力、電磁力)，引力的強度是最弱的。LIGO希望探測到的典型事件是雙黑洞合併。如果兩個10太陽質量的雙黑洞合併，其發出的引力波掃過LIGO四公里的長臂，造成的改變只有10-18米量級。也就是說，在4公里的長度上，引力波造成的長度改變只有質子直徑的千分之一。

  2002年，LIGO建成並開始運行，在其後的10年間，LIGO沒有探測到一起確定的引力波事件。當時，一些科學家相信引力波信號已經存在於觀測數據中，只是研究者尚無力將其從雜訊中分離。2015年9月開始，LIGO的升級版本Advanced LIGO開始運行，並於2016年1月結束了第一階段的運行。Advanced LIGO的探測靈敏度超過LIGO十倍。LIGO的最初設計是希望探測到室女星系團內(也就是銀河系所在的星系團，大約5000萬光年內)的雙中子星。而Advanced LIGO有能力觀測到10億光年內的雙中子星引力波。如果引力源是即將合併的雙黑洞，Advanced LIGO的探測範圍可以達到50億光年。升級版的LIGO可探測事例的幾率超過LIGO最初版3000倍。

  研究者正在計劃將引力波探測器搬到空間中，以使得引力波探測器可以極大地擴展臂長，從而探測到波長更長的引力波(低頻引力波)。地面的引力波探測器只能夠探測到非常接近的雙星系統，而空間項目可以大大彌補這一不足。eLISA項目計劃將三個探測器升入太空。它們將成等邊三角形狀，兩兩相距100萬公里，不斷地利用激光干涉測量彼此間的距離。中山大學計劃中的天琴項目也致力於製造類似的探測設備。但是在電影《星際穿越》中，由於植物枯萎病在地球的蔓延，人類的科研經費已經被削減得所剩無幾。但好在布蘭德教授還有LIGO，他最終捕獲到了蟲洞的出現。

  LIGO探測器，讀者可以看到其相互垂直的雙臂，每條臂長四公里。(LIGO官方網站)

  在現實世界中，引力波探測也遭遇同樣的問題。eLISA的原版LISA項目事實上比eLISA更加強大，探測臂長達5百萬公里，由美國航天局和歐洲航天局共同建造。但是2011年由於財政預算被歐巴馬政府縮減，NASA退出了LISA的建造。這造成了項目的大幅縮水。引力波在過去的十年間探測困難使得相關項目在各種預算競爭中處於不利地位。Advanced LIGO的成功將對其他的引力波的項目(如空間項目eLISA，的天琴計劃，Pulsar tim-ing array)注入一劑強心針。

  引力波的探測將大大加強我們對於引力的理解。不同於其他三種力可以在實驗室中進行研究，對引力的研究非常困難。在我們日常接觸的大多數領域，廣義相對論效應並不明顯。我們至今只能通過天體運動、光線彎折等有限的方法研究引力。而這些方法仍然只能探測較弱的引力場，遠遠觸及不到黑洞視界附近最為扭曲的空間。而引力波探測將打開一扇新的窗子，幫助人們了解空間最扭曲部分的動態變化——這種動態過程被基普·索恩稱作幾何動力學過程——使人們以前所未有的精度理解廣義相對論(或者證偽它)。

  引力波是否有希望幫助我們理解量子引力理論?可能很難。研究者證明如果可以隨意操縱引力波強度，高級文明可以操縱引力波內爆造出裸奇點，並揭示量子引力的最終奧秘。但從第一次探測到引力波信號，到這一宏偉目標的實現，仍有巨大的差距。

  《星際穿越》上映的時候，引力波又何嘗不是一個尚存在於科幻與科學邊緣的概念?但如今，我們歷史性地看到了一個科幻電影中的想象變成堅實的科學事實。