我们在第3章曾经提到过引力波(gravitational waves)。现在我们来详细地讨论它。第1章讲过，在爱因斯坦的理论中，引力产生于时空弯曲。恒星或行星这样的大质量天体使它们周围的时空发生弯曲，导致其他的一些物体从它们旁边经过时轨道发生偏折。如果错误地认为这些东西在平直时空中运动，我们就会以为存在一种叫做引力的东西。实际上这一切都是时空弯曲导致的。

引力波和时空弯曲有关。如果一组大质量天体之间有相对运动(比如太阳系、脉冲双星系统等)，那么它们周围时空的弯曲就不是一成不变的。有质量物体导致了时空弯曲，所以如果这些物体在运动，那么时空的形态也会不停变化。描述这一情况更科学的说法是：在爱因斯坦的理论中，时空是动态的。

我们用前面讨论过的超新星作例子来解释这一点。在它们的核心坍缩导致灾难性的爆炸之前，它们就像我们的太阳一样，是比较稳定的天体。因此，在这一阶段，它们周围的时空弯曲方式应该和太阳周围是一样的，也就是说，和太阳周围的引力场相似。它们爆发之后最终会形成中子星或黑洞，再一次回到相对稳定的状态，此时引力场便不随时间变化。爆炸的时候，它们会往外喷射巨大的质量和能量。它们的引力场，也就是周围的时空弯曲在这段时间发生着剧烈的变化。

和很多系统从平衡状态转变为快速变化状态时的情况类似，超新星爆发产生了一种波形式的扰动。用更加接地气的例子作类比，就像你往平静的水池里扔一块石头，落水位置的池水会从稳定状态开始迅速变化。池水希望可以回到它最先平静的状态，这导致了一种向外传播的扰动，这种扰动以波纹的形式从石头落入的位置向外扩散。相似地，原本安静的房间里突然出现的响亮的噪声会引起房里各点的大气压力的改变。由于空气试图回到稳定状态，气压的扰动也会以压力波的形式向外传播，这种压力波叫声音。

引力也一样。如果时空曲率受到质量或能量的扰动，那么这种扰动就会以波的形式传播开去。当恒星坍缩时，它们的外层会被爆炸的压力推出去，此时就会发生引力扰动。和上文池水的例子相似，这一剧烈过程就像往水里扔石头一样激发了时空曲率的波动。

波传播的速度一般取决于它们通过的介质。比如说，我们知道声波在热空气中比在冷空气中传播速度要快一些。引力波的介质是时空本身，根据爱因斯坦的理论，引力波的传播速度和光的传播速度相同。和光一样，这一速度的大小和观察者以及波源的运动状态都无关。引力波传递信息的速度是最大可能速度，因为它与光速相同，没有任何东西能跑得比光还快。

引力波产生的效应

为了理解引力波到底是什么，我们可以考虑当它经过一群物体时会发生什么。比如说，如果你尝试给一个不熟悉水的外星人去描述池子里的水波是什么，你可以先描述水波如何让浮在水面的花瓣上下运动。现在，我们来看看与之类似的引力波的情况。

先来考虑空间中有一团均匀的气体云。我们不考虑地球自身的引力场对它的作用(因为地球引力通常比引力波强太多)，同时我们也不考虑其他任何东西对这片云的作用。如果引力波穿过了这一片云(见图8)，最主要的效应是改变垂直引力波传播方向上气体的分布。也就是说，如果引力波从左往右传播，那么气体粒子将会在上下或者纸面内外方向运动。

图8　引力波穿过一片气体云的示意图。引力波从左往右传播，使气体云粒子在上下，或者纸面内外方向运动

乍一听，引力波对气体云的作用好像是在说引力波是气体云本身运动形成的，就像水的运动形成水波一样。但实际上两者完全不同。引力波是时空本身的波动，所以引力波对气体云的作用可以更好地类比于水波对水面上花瓣的作用，而不是把气体直接类比于池水。换句话说，引力波并不是气体中的波，而是气体所在的时空中向前传播的扰动。

在这个例子中，引力波实际的作用是改变了垂直于传播方向的空间的“多少”。这意味着引力波穿过时气体原子彼此靠近(或者远离)并不是因为原子动了，而是它们之间的空间由于波动变少了(或者变多了)。引力波通过改变物体间空间的大小来改变物体之间的距离，而不是让它们在固定的空间中运动。这种解释只有在爱因斯坦的理论中是可能的，因为此时空间是动态的。

我们可以更加详细地考虑引力波的效应。我们假设排成环状的一圈粒子，有一列引力波穿过它们。图9显示了当引力波由纸面内往外传播时会发生什么。引力波只对垂直传播方向起作用，从而页面上粒子环的变化很形象地展示了引力波作用的结果。

图9　当引力波从纸面上往外传播时纸面内的粒子组成的环发生了形变。最左的图显示的是原先粒子的排列形状，从左往右依次是四个时刻粒子环的形状

如果粒子一开始就排列成完美的圆形，彼此之间相互分离，并且不附着在其他任何物体上，那么引力波的效应就是在一个方向上压缩并在另一个方向上抻长这个圆。于是圆就变成了椭圆。当波穿过的时候，它会连续地改变圆的形状直到它的形变达到上限，之后这个过程会反过来，沿着之前抻长的方向压缩这个圆。图9展示了引力波穿过时这一拉伸和挤压的过程。

我们已经在脉冲双星系统中讨论过引力波辐射的结果。引力波从双星系统中带走了能量，于是两颗中子星会一边绕转一边缓缓地靠近。人们测量到的靠近速率就是引力波存在的很好的证据，但科学家们依然非常期待直接看到引力波本身。2015年9月，LIGO首次成功地观测到了引力波。引力波的发现十分激动人心，因为它给我们提供了观测宇宙的全新窗口。这是史上第一次，我们不再局限于观测遥远物体发过来的光，我们已经可以直接观测它们的引力场本身。从今以后，我们还可以研究黑洞相撞的时候发生了什么。

直接观测引力波同样可以让我们以新的方式验证爱因斯坦的引力理论。人们可以假想引力波经过产生的种种现象。比如图9展示的粒子环可能的形变，或者在引力波传播方向垂直的空间也会有所变化，等等。爱因斯坦提出的关于时空弯曲的方程明确地否决了这些可能性，但是如果他错了，那么上述两种设想实际上是可能的。利用LIGO这样的实验，我们可以看看引力波是不是表现出爱因斯坦理论预测的那些行为。就这样，引力波提供了另一种验证爱因斯坦理论的方法。除此之外，我们还能以新的方式了解黑洞相撞时发生了什么，从而产生不少令人激动的可能性去进一步研究引力物理。

引力波探测器

爱因斯坦在1916年就预测了引力波的存在，差不多一个世纪后，人类终于在2015年第一次探测到了它。为什么用了这么长时间？因为引力波信号的强度极其微弱。图9只是为了更好地展示引力波而将其效应夸张了。在现实中，粒子的形变只占其10 20的大小的量级。也就是说如果我们做一个1000千米直径的粒子环，引力波只会导致10 -12 厘米的形状变化，这显然是非常难以探测到的。

尽管探测任务艰巨，或者说正因为如此，反而激励了很多人为直接探测引力波而努力。非常重要的早期工作之一由一类叫韦伯棒(Weber bars)的仪器完成。这类仪器的名字来源于马里兰大学的约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)，它们由巨大的金属圆柱组成，大约1米宽，几米长。人们设想当引力波穿过地球时，它会导致圆柱振动，就像用木槌敲击铃铛一样。只有某种频率的引力波存在时才能引起圆柱振动。

当年用来探测引力波的韦伯棒精确度能达到10 -15 。虽然听上去十分灵敏，但还不足以探测到今天人们熟知的引力波。韦伯棒在历史上曾经收到过好几次假警报。1968年，韦伯声称他得到了引力波存在的证据，这一发现足以让他成为诺贝尔奖的有力竞争者。不幸的是没有人能复制他所声称的发现，因此现在人们普遍相信这是一次假警报。

一些最新版本的韦伯棒今天仍在运作。其中一个例子是莱顿大学的MiniGRAIL实验。它由一个1150千克的金属球组成，比韦伯自己建造的韦伯棒灵敏1000倍左右。不过今天的人们更多地使用另一种技术来探测引力波，这就是干涉法(interferometry)。基于干涉法的引力波探测器原理和第2章介绍的迈克尔逊-莫雷干涉仪类似。而现在的引力波干涉仪比第2章介绍的干涉仪要大得多得多。截至本书完稿的时候，世界上最大的引力波干涉仪当属美国的LIGO。

LIGO即激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)，它有两个台址。其中一个在路易斯安那州的利文斯顿，另一个在华盛顿州的里奇兰。每一个台址都有一台巨大的干涉仪，它由两根相互垂直的“臂”组成(如前文图6所示)。每一根臂都有几千米那么长，里面是一根约1米粗接近真空的管子。激光从这些管子的一端射入，从悬挂着镜子的另一端反射回来。我们主要是研究激光反射回到双臂交会处产生的干涉条纹。当引力波穿过干涉仪时，臂的长度会发生变化，于是两束激光产生的干涉条纹也会发生变化。

LIGO的探测器被设计得十分精确，它的灵敏度比韦伯棒强百万倍。要实现这么高的精确度在技术上有着惊人的难度。实验物理学家们需要克服各种各样的假信号污染，包括地震的噪声，也就是地球内部的运动导致的反射镜振动，以及管道外的强风。实际上，LIGO的探测器现在已经敏感到人们必须考虑极端微小的限制因素，其中包括激光，它由一个个光子组成，因此在镜子处反射时不可能是连续的。

尽管有这些大问题，还要面对庞大的经费、政治和工程上的困难，LIGO的探测器最后还是收获了巨大的成功。2015年9月14日，人类利用LIGO史上第一次直接探测到双黑洞并合形成的引力波。这一事件的意义怎么标榜都不为过，它将来可能成为我们这个时代最伟大的科学成就之一。因此，让我们来具体地讨论一下LIGO实验。

LI GO的引力波观测

格林尼治时间2015年9月14日9点50分45秒，位于路易斯安那州利文斯顿的LIGO引力波探测器的干涉仪中出现了震**信号。这一信号只持续了0.2秒的时间，它导致干涉仪那条4千米长的悬臂伸缩了1/1000个质子大小的尺度。大约0.007秒后，位于华盛顿州汉福德的探测器收到了相似的信号。这一信号激发了警报，操作这一实验的科学家们立刻毫无疑问地确信，他们探测到了穿过地球的引力波。

在讨论引力波的源头之前，我们先考虑信号本身。如果你去读两个LIGO台址任意一个收到的数据，它们看起来不过是源于探测器本身持续不断的噪声背景中的一个小突起。这一信号的峰值只有随机噪声污染振幅的两倍，因此很不容易被注意到，也很难被确认是不是真的信号。科学家们如此确信它是真实信号的原因有两点：第一，两个在不同地点的探测器的振动非常相似。地球本身的振动可能导致其中一个台址的探测器晃动，但同时在两个位置上产生相同的震颤是几乎不可能的。第二，也是非常重要的一点，LIGO的科学家们知道真正的信号会是什么样子。这让他们可以利用一种叫做匹配滤波器(match filtering)的技术去扫描他们的数据，从中筛选符合期望的信号。考虑以上两个因素，LIGO的科学家们有99.999％的把握确信他们探测到的振动信号的来源是经过地球的引力波，而不是噪声造成的假信号。

显然，这个结果对LIGO小组来说是巨大的成功，毕竟他们操作的是全世界有史以来最精密的科学仪器。同时，它也是理论物理学家们重要的成就。上文说的匹配滤波器的原理是理论物理学家们给一类最极端引力场——并合双黑洞——建立的理论模型，这对于引力波探测至关重要。只有了解了黑洞相撞时到底会发生什么，科学家们才有可能建立正确的滤波器来找出引力波信号，这可比想象中困难多了。黑洞相撞有很多种方式，利用爱因斯坦理论去预测这样的系统会产生什么样的引力波，需要极其复杂烦琐的数学计算。

在这里，我不会讨论卷帙浩繁的数学细节，但我们可以考虑激发这些引力波的实际天体物理过程。结合探测器收到的信号和我们前文讨论过的并合黑洞的模型，人们得出结论：这一信号的来源是两个相互绕转的黑洞，它们越靠越近，最后合并成了单个巨大的黑洞。这两个相互靠近的黑洞质量分别是大约29和36个太阳质量，它们合并之后形成的大黑洞大概是62倍太阳质量。听起来挺平凡的，但它却是宇宙中可能发生的最剧烈的过程之一。

一些机智的读者可能已经发现29加36并不等于62。这是因为黑洞在并合时产生的引力波恰好带走了3个太阳质量对应的能量(回想一下爱因斯坦的质能公式：)。这一系统损失了如此巨量的能量，在某种意义上也可以体现为什么我们称它为“剧烈过程”。为了更直观地理解这个数字，我们可以想象一下两个黑洞并合产生的引力波，它的能量甚至比全宇宙所有恒星发出的光能加起来还要大。它们在13亿光年外都能被观测到，这已经是整个可观测宇宙[1]中非常大的一部分了。在引力物理学家眼中，这是既极端又非常令人激动的事件。

未来的展望

虽然我们已经探测到了引力波，但不能止步于此。LIGO的探测结果既是长时间探索的终点，又是一种新天文学的起点。我们对此充满希望，因为不出意外的话，将来LIGO还会探测到更多的引力波。而且，人们已经开始计划和修建新一代的引力波探测器，包括在美国之外的地区建立LIGO的新台址，比如印度就是比较好的选项。更多的台址可以让LIGO更好地在天空中定位引力波源，只有这样，引力波才能成为更好的非电磁波天文学工具。

除了LIGO之外，另一个引力波探测项目叫做eLIS(thAe Evolved Laser Interferometer Space Antenna，演化激光干涉空间天线)。eLISA项目是欧洲空间局规划的空间引力波探测器。它有不少地面望远镜没有的优势，其中最重要的是它不会被地震噪声影响。这意味着它在一定的频率范围可以达到地面上极难达到的灵敏度。它还可以建造得比地面探测器大很多，因为激光会在卫星之间的真空里传播，不需要建造任何管道。eLISA计划利用三颗卫星相互发射激光，从而组成一个三角形。三颗卫星两两之间的距离大约百万千米。要探测引力波，探测器需要越大越好——因此eLISA在将来很可能做出更加高质量的发现。

虽然eLISA的臂可以设计得非常长，且不会受到地震波影响，但它还需要面对其他的挑战。太空中的环境接近真空，但并不是完全的真空。太阳发射的带电粒子，以及持续不断朝地球方向轰炸的宇宙射线，都可能对这类空间探测器产生影响。地面上有地球大气和地球磁场的保护，但空间望远镜没有。另一方面，在太空中正确地排列和保持探测器的稳定是非常困难的。尽管存在上述挑战，eLISA还是非常有可能成功启动，并在太空中探测到引力波。

将来另一种探测引力波的方法是利用宇宙学观测。宇宙学是研究宇宙整体的现状和演化的学科，人们期待用新的宇宙学项目看到引力波在宇宙中留下的足迹。我们将在第5章讨论这些课题。

[1]　以观测者作为中心的球体空间，其中物体发出的光在宇宙年龄的时间内足以到达观测者，也就是说只有可观测宇宙内的物体是看得到的，目前可观测宇宙可达920亿光年。