引力波——來聽聽宇宙的“交響樂”
序言
當我們仰望星空時，我們看到的是恆星、行星和星系等。它們大多可以被我們通過肉眼觀察到，我們稱其爲重子物質，重子物質是可以通過在空間中運動引起時空的漣漪的物質類別之一，而這時空的漣漪便是神秘的“引力波”。
1.引力波的提出
1916年，愛因斯坦提出了廣義相對論，建立了如下形式的愛因斯坦引力場方程：
該方程在弱場近似下的無源時空中存在着波動形式的解，即預言了引力場中“引力波”的存在。在廣義相對論的框架下，“時空”如同蹦牀，存在於時空中的質能可引起時空的彎曲；當大量的質能在時空中以特定形式運動時，這種彎曲便如同波一樣傳播開來，這就是“引力波”的本質。
作爲現代物理學的基石之一，廣義相對論所進行的預言無比重要，在過去的幾十年中，物理學家一直在試圖證明它們的正確性，但引力波的存在卻一直沒有得到直接的觀測證據。因此，引力波的探測是證實廣義相對論正確性的重要途徑，也是我們研究引力和時空作用的重要方法。
2.難以“捉摸”的引力
在引力波提出後，如何探測引力波便成爲了巨大的難題；引力波的探測存在理論與實驗兩大方面的難題，對於理論層面，有如下的兩大難題：
一、描述了引力波的解是考慮特定座標變換而得出的，因此引力波可能只是一種虛假的座標效應，而非引力場的固有性質。
二、引力波不一定從其發射源帶走能量，單純的、無能量的時空波動無法被探測。
以上兩點直到20世紀50、60年代才被逐一解決。
20世紀50年代，物理學家建立了嚴格的、與座標選擇無關的引力輻射理論，並求出了該理論下嚴格的波動解，證明了引力波的存在是引力場的固有性質。
20世紀60年代，物理學家在研究零曲面上的初值問題時嚴格證明了引力輻射是含能輻射，其會帶動有質量的物體在空間中運動，即證明了引力波的可探測性。
自此，引力波的探測計劃才被提上了日程。
3. 探測引力波：從直接到間接的嘗試
爲了探測引力波，科學家們進行了長期的努力。1962年，世界上的首類引力波探測器，即“共振棒”探測器由物理學家Joseph Weber領導的團隊設計建成，標誌着人類對引力世界探索的開端。
（共振棒結構示意圖）
這種早期的引力波探測器存在着諸多問題，如靈敏度低、探測頻帶過短等等。1969年6月，該課題組宣稱探測到了引力波的存在，但很快被證明是干擾信號。
經過無數次改進，“共振棒”引力波探測器最終被認爲並不能有效地探測到引力波信號，它們自20世紀80年代起被逐步關閉，對引力波的直接探測自此陷入沉寂。
雖然直接探測的領域挫折不斷，但物理學家在對引力波的間接探測領域取得了重大的突破。在這個領域取得的突破主要源自對脈衝雙星系統PSR 1913+16的觀測。
在長達十四年的觀測中，物理學家Joseph Hooton Taylor與他的學生Russell Alan Hulse發現：兩顆脈衝星互相繞轉的軌道半長軸正有規律地逐漸縮短。這一表現及具體數據與廣義相對論的預言高度一致，說明了該系統的總能量在逐漸被引力輻射帶走，這便是人類歷史上首次發現引力波存在的間接證據。
觀測數據（點集）與廣義相對論預言結果（曲線）
4.引力波的現身：探測原理與初步成果
隨着探索的不斷進行，科學家們建造了一座又一座的引力波探測器，利用了激光干涉技術的激光干涉引力波天文臺(LIGO)，以測量引力波引起的光的干涉條紋的微小伸縮作爲原理，第一次真正捕捉到了引力波存在的信號。
干涉，是一種常見的光學效應，利用光的特性我們可以測得引力波。LIGO探測器由兩個相互垂直的長臂組成，即干涉臂，每條臂長4公里。單光源發出的光由分光鏡分爲相互垂直的兩束，進入兩條幹涉臂中；這一束光會在干涉臂末段被反射回分光處；由於兩束光是同源的，它們的波相位相同，只會發生相長干涉。當引力波通過時，兩束光會由於時空變化產生相位變化，這一變化使兩束光產生了相位差，從而產生可被探測器捕捉的干涉條紋，對這類干涉條紋的檢測便可以捕捉到引力波信號。
是不是有點難以理解，不慌，讓我們來打個比方：
想象一下你站在平靜的湖邊，湖面上有一片平靜的水面。你手裡拿着兩根平行的測量棒，一根在你的左手，一根在你的右手。這兩根棒代表 LIGO 的兩條垂直的干涉臂。現在，湖面上突然傳來一陣漣漪，就像一波引力波經過。這波動開始微微地扭曲湖面，而這個“湖波”就是引力波通過時對空間的微小變化。你發現，當漣漪通過時，湖波的影響使得你的兩根測量棒的長度微微發生變化。這就好像在LIGO中，引力波通過時，空間的微小變化引起了光程差的改變，就像湖波影響了你手中測量棒的長度。
（激光干涉引力波天文臺的基本構造）
LIGO與類似的VIRGO、GEO600等屬於第一代激光干涉引力波探測器，它們的靈敏度仍有欠缺；2015年上半年，LIGO接受了一次全方面的升級，成爲第二代的“aLIGO”，其測量靈敏度高於在該尺度下一般引力波所引起的10 -19m量級的空間變化。
aLIGO投入運行幾個月後的2015年9月14日，它便探測到了由一個36倍太陽質量的黑洞和29倍太陽質量的黑洞合併產生的引力波；這一引力波事件被命名爲GW150914。自那以後，LIGO等探測器又多次探測到了引力波，這些結果不僅證實了廣義相對論的正確性，也爲我們打開了一扇探索宇宙的新窗口。
隨着對引力波研究的逐步深入，科學家們進一步地瞭解黑洞、中子星這些極端天體的性質和行爲，有了探測宇宙的起源和演化的窗口，乃至進一步地揭示引力和時空的本質，這些進展尤其對量子引力理論、弦理論、超引力理論的研究貢獻巨大。
可以說，對引力波的探測爲人類打開了通向宇宙學最深處之奧秘的大門，爲空間科學等相關領域的發展做出了巨大且不可替代的貢獻。
結語
引力波是宇宙中的樂章、星際間的交響，她振盪於深邃的星空，徘徊於寰宇之間。這被愛因斯坦廣義相對論預示的時空漣漪，已經成爲現代物理學的基石。然而，引力波的探測曲折艱辛，從一籌莫展到利用激光干涉技術、LIGO等設備首次捕捉到引力波信號，一代代科學家的精進與鑽研將現代物理帶入了引力波時代。引力波的發現，不僅是廣義相對論的印證，更爲空間科學帶來無法估量的貢獻，爲人類在宇宙深邃探尋的旅程續寫新的篇章。
作者：周思益,天音,郭瀟
來源：石頭科普工作室
編輯：Serendipity
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