时空涟漪 百年等待

2016年2月11日北京时间23时，当神州大地沉浸在浓浓睡意时，于美国自然科学基金召开的新闻发布会上，激光干涉引力波天文台（LIGO）的负责人郑重宣布：“我们探测到了引力波。我们做到了！”寥寥数语，却如同所发现的时空涟漪本身一样，一石激起千层浪。

惊涛拍岸，拍打的何止是物理学家前沿的堤坝；很快，这一消息便如同汹涌的浪潮般席卷了整个世界，连同正逢佳节传递祝福的朋友圈都被引力波发现的消息刷屏了一遍又一遍。

那么引起全人类轰动的引力波究竟是什么？它的发现对于人类社会又有什么样的意义呢？

独上高楼，望尽天涯路

——引力波是否物理上客观存在

故事要从1916年说起。年仅37岁的爱因斯坦刚在一年前完成了他一生中最重要的工作之一——广义相对论。这个优美的理论通过逻辑演绎发现引力其实是时空弯曲的效应，阐述了物质与时空密不可分的联系。紧接着他利用广义相对论解释了水星近日点进动速度的异常，重新预言了光行差与引力红移等现象，若干年后的天文观测证实了这一全新理论的预言。与此同时，他没有停止对引力的思考。

就像随时间变化的电荷分布会产生电磁波，引力场中会不会也有类似的行为呢？然而这一看起来很自然的类比，实现起来却困难重重。诚然理论简洁优美，与之伴随而来的却是数学求解上的复杂性——广义相对论中的引力场方程是一个高度非线性且有十个独立分量的偏微分方程组。这在科学计算乏术的当年，如同一座难以逾越的高山。然而爱因斯坦采用了线性化近似处理绕道而行，成功得到了引力场的波动行为，即引力波。简单来说，引力波可以被看作是空间本身不断循环往复的拉伸和挤压，因而被誉为时空的涟漪。

这些想象与推论远远超越时代，以至于有关于引力波的理论在相当长的时间内无人问津。它是如此的孤独，独坐在理论物理阁楼一隅，静候了百年。广义相对论要求在所有参考系下都成立，某些在一类参考系下看似存在的现象通过坐标变换到另一参考系后却荡然无存了，所以这种依赖于特定参考系的效应被认为不是真实的物理。那么线性化近似后得到的引力波解到底是坐标变换导致的，还是真正物理上客观存在的呢?

在接下来的半个世纪里，理论物理学家就引力波是否真实存在进行了持续不断的争论，许许多多向世人推广广义相对论的先驱都曾公开质疑过引力波的存在。比如第一个通过日全食观测验证广义相对论预言的爱丁顿就对引力波持怀疑态度，他曾笑称“引力波以思想的速度传播”；甚至就连爱因斯坦本人也曾两度想要否定自己的预言，笼罩物理规律的迷雾之浓可见一斑。不过黑暗与迷茫总是暂时的，在越来越多的数学物理大师的思辨与演算下，历经数十年的争论和发展，人们终于确定了线性化近似中的某一特定组分是不依赖于参考系选取的。这意味着广义相对论中的引力波是真实存在的物理！

衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴

——间接证据不足以证明，但并未停止直接测量的尝试

当引力波的存在性与相应的性质被确定后，物理学家们紧锣密鼓地展开了对引力波探测的尝试。然而出师未捷，却发现又一座高峰耸立挡住前路。虽然理论告诉我们引力波无处不在，质量分布的改变就能够产生引力波。但由于引力相互作用实在太弱，以至于地球上的所有活动乃整个太阳系产生的引力波都可以忽略不计。然而这并没有阻挡后来科学家探索的热情，既然常规天体运动的引力波无法探测，那么人们只能寄希望于宇宙中那些最为暴烈的事件，比如黑洞等致密天体的碰撞，以及宇宙的创生。

开展引力波探测工作的先驱者，美国物理学家韦伯，在上个世纪60年代宣称利用金属铝柱的形变探测到了引力波，但这一次实验成为了绝响，无人能够重复该实验结果。既然直接探测前路漫漫，一批天文学家另辟蹊径，试图探测由于引力波带来的间接效应。在1974年，天文学家泰勒和哈尔斯在观测两颗中子星的绕转时发现，这个双星系统的周期和距离一直在缩短，而最为合理的解释就是绕转过程中产生的引力波辐射带走了双星系统的能量。这一现象被视作引力波存在的间接证据，泰勒与哈尔斯共同获得了1993年的诺贝尔物理学奖。

但间接证据还不足以充分证明引力波的存在。因此人们并没有停止对引力波直接测量的尝试。二十世纪科学技术日新月异，随着激光技术迅速发展，麻省理工学院莱纳·魏斯和加州理工学院基普·索恩（后者也是著名好莱坞电影《星际穿越》和《超时空接触》的科学顾问）等物理学家从70年代开始着手设计新的探测器——LIGO，利用的激光干涉技术可以探测比氢原子还小几个量级的距离差异，因此为寻找引力波带来的蛛丝马迹提供了又一份可能。LIGO从设计到立项花了将近二十年的时间，直至1999年才正式建成。然而事与愿违，接下来十年的探测却以一无所获告终，因为对于如此精细的测量来说，外界的干扰实在太大太多，比如地震、附近马路上的车辆，甚至还有微观世界的量子噪音。测量工作就如同在翻滚着汹涌波涛的大西洋之东岸去寻找于西岸掷下一粒石子激起的涟漪。

随后LIGO停机开始了为期五年的升级，并于2015年开始以更高的灵敏度运行。人类并没有放弃，而是短暂休整后待发。这一次没有让众人失望，在重启后不久，新的LIGO于9月14日终于探测到了引力波信号。经过分析发现，此信号是13亿光年外的两颗约30倍太阳质量的黑洞并合时产生的。它们以约0.5倍光速绕转，最后碰撞到一起合并成一个自转的克尔黑洞。在这个急剧变化的强引力场中，有3个太阳质量的能量以引力波的形式辐射了出来，经过13亿年的传播才抵达地球。几十年磨一剑，联合全球上百个机构的协同攻关，历经了长年的寂寞等待与反复尝试，LIGO实现了一个“不可能完成的任务”，并以顽强的信念和合作的精神向世人展示了一支素质过硬的世界级科研团队。

我们有理由相信，这次发现还只是引力波研究的一个序章。国际上其他相关的研究项目早已如火如荼地开展，中国也正在推出了西藏阿里、天琴和太极等引力波探测计划。长达百年的探索历程带给了我们很多的启发，无论是理论推演还是实验检验，科学的道路注定要历经磨练。真金需要火炼，世界级科研需要虔诚的科学信仰和心如止水的态度，真正的突破往往是经历了长期的准备和铺垫才能够水到渠成。

蓦然回首，那人却在灯火阑珊处

——填补爱因斯坦理论预言的最后一块拼图

引力波的发现不仅填补了爱因斯坦理论预言的最后一块拼图，还进一步完善了对广义相对论的检验。此前，人类已经在太阳系等弱引力场中做出了高精度的探测；在宇宙尺度上，以广义相对论为基础的宇宙学标准模型也得到了天文观测强有力的支持。而此次对双黑洞并合过程的直接观测填补了强场检验的空白。

这次发现还标志着引力波天文学的到来。自然界的四大基本相互作用中，电磁力与引力均为长程力，可以作为我们探索宇宙的工具，就如同人类的眼与耳。除了此次发现的黑洞双星并合外，宇宙中还有许多其他重要的天体物理过程也会产生引力波，比如说中子星、白矮星、黑洞等致密双星的绕转，超新星的爆发以及宇宙大爆炸时的相变和暴胀过程。其中暴胀产生的原初引力波就是我国“阿里”CMB观测项目的主要探测目标，这种原初引力波可以帮助人类一窥创世纪的故事。而且由于其量子的起源，对原初引力波的管窥蠡测很可能会帮我们最终结合广义相对论与量子论，进而实现爱因斯坦未竟的事业——寻找万物终极理论。

最后，引力波与电磁波不同之处在于，它几乎不与物质发生相互作用，所以可以穿越茫茫宇宙而不被吸收散射。因而，人类如果要进入真正的星际航行，引力波将会变得至关重要。刘慈欣的著名科幻小说《三体》中，面壁者罗辑在建立地球与三体文明威慑之后，提出的第一个要求就是传授引力波通讯技术。随后，引力波天线在两个文明的生死博弈中扮演了重要的角色。那么在现实中引力波通讯真的可行吗？不得不说，目前我们才刚刚学会接收引力波的信号，对如何人为地发射信号还一无所知。但这就像法拉第发现电磁感应现象时把它比作是“新生的婴儿”一样，引力波对我们来说也是全新的，也拥有婴儿般无穷的潜力，无限的可能。它究竟将在人类文明的发展进程中发挥什么样的作用呢？让我们拭目以待。

（作者单位：中国科学技术大学物理学院天文系）