？？？？？？ 編者按：力學(xué)研究所林烈研究員參與了中國科學(xué)院21世紀(jì)科普叢書的撰寫工作。該叢書的《我們的宇宙有多大》分冊中發(fā)表了他的科普文章“既平常又神秘的萬有引力”。承蒙林烈研究員的盛意，本刊在此轉(zhuǎn)載，以饗青少年讀者。
？既平常又神秘的萬有引力（4）

？？？？？？？？？？？？？？？？？ 林烈
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在前一期中，介紹了相對論和GPS的關(guān)系，這一期里，我們就來說說科學(xué)家尋找引力波的故事。

愛因斯坦未竟的宇宙交響樂

？？？？ 相對論所做出的一些預(yù)言，有的已經(jīng)得到了證實(shí)，有的至今還沒有答案。
下面我們就來說說關(guān)于尋找引力波的故事。什么是引力波呢？引力波是指在一個具有質(zhì)量、并且運(yùn)動著的物體周圍存在著的一種時空波動。這是愛因斯坦根據(jù)廣義相對論的原理做出的一個預(yù)言。我們不妨把引力波比喻成一部有關(guān)宇宙的交響樂章。

圖1 引力波是一種時空本身的波動

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大家知道，愛因斯坦是二十世紀(jì)最偉大的科學(xué)家之一，他也是一位音樂愛好者，一生醉心于歐洲的古典音樂，特別喜歡巴赫及莫扎特的作品。他學(xué)習(xí)過小提琴及鋼琴等樂器，演奏技術(shù)也相當(dāng)嫻熟。在他的一生中，那把小提琴一直陪伴著他，每當(dāng)閑暇的時候，他就會拿出來拉上一曲，放松一下自己。據(jù)說，有一次為了給某個人道組織募款，他還舉辦過個人音樂會。
這里，我們不是要講述愛因斯坦的音樂素養(yǎng)或者探尋他曾經(jīng)譜寫過什么有關(guān)宇宙的交響樂章，我們要討論的是，廣義相對論中有關(guān)引力波的這首宇宙交響樂，以及一些科學(xué)家為了“聆聽”這首宇宙交響樂所做出的種種努力。這里為什么要把引力波比喻成交響樂呢？因?yàn)?，這種引力波的頻率有一部分正好處在聲波的范圍之內(nèi)，如果我們能捕捉到來自宇宙深處的引力波信號，那它一定是一首美妙絕倫的天外交響樂。這樣美好的樂曲，就如杜甫在《贈花卿》詩里所描述的：“此曲只應(yīng)天上有，人間能得幾回聞！”遺憾的是，幾十年來，不少科學(xué)家為了捕獲心目中的這部神圣樂章，歷盡了無數(shù)艱難坎坷，消耗了人生的美好歲月，卻始終未能聽到這種夢寐以求的天籟之音。下面我們來看看，科學(xué)家們?yōu)榱四堋靶蕾p”到愛因斯坦的這首宇宙交響樂，在尋找它的這條崎嶇道路上，所付出的汗水和心血。

圖2 正在演奏小提琴的愛因斯坦
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廣義相對論將引力的作用轉(zhuǎn)化為時空的變化，即物質(zhì)及能量的存在決定了時空的形狀。愛因斯坦本人早就預(yù)言，根據(jù)廣義相對論，宇宙中應(yīng)該存在著引力波。這種引力波，不同于聲波、電磁波等其他類型的波，它是時空本身的一種波動。引力波屬于橫波，在它的傳播途徑上，時空會瞬間被壓縮或拉伸，但這個幅度非常小。科學(xué)家估計(jì)，如果有兩個距離地球幾萬光年的黑洞，當(dāng)他們發(fā)生碰撞時產(chǎn)生的引力波信號到達(dá)地球時，僅能使一米長的物體產(chǎn)生10^－18米的變形，這個尺寸只相當(dāng)于一個質(zhì)子直徑的幾千分之一。這樣微小的變化，給測量帶來了巨大的困難。
引力波的研究對于那些從事宇宙學(xué)研究的人來說有著重要的意義。前文中我們曾經(jīng)提到，宇宙是起源于一次大爆炸，研究大爆炸起點(diǎn)的情況，對于科學(xué)家來說具有無比的吸引力。但在大爆炸初期，宇宙中充滿著各種輻射，它并不透明，也就是說電磁波無法透過這些區(qū)域。因此，目前的探測手段都無法獲取那時的信息。但對于引力波來說，它的傳播不受宇宙是否透明的影響，這樣，我們就可以通過引力波的探測來獲取大爆炸初期的一些信息，科學(xué)家對此寄予了希望。
目前，我們所處的宇宙空間，應(yīng)該存在著各種各樣的引力波信號，但如何才能接收到這些信號呢？對于一個靜止不動的天體來說，雖然它的四周存在著時空的彎曲，但這個彎曲處于不變狀態(tài)，它就像電學(xué)里的一個“直流信號”，不便接收和處理。但當(dāng)質(zhì)量巨大的天體在宇宙中發(fā)生突然的噴發(fā)（即其質(zhì)量發(fā)生突變）或者在空間作激烈的運(yùn)動時，它周圍的時空就會發(fā)生相應(yīng)的波動，這種波動將是一個“交流信號”，接收這種引力波信號相對比較容易，接收的儀器也容易對這種交流信號進(jìn)行處理和放大。這就像一個蹦床運(yùn)動員，當(dāng)他站在蹦床上時，蹦床雖然有一個彎曲面，但沒有隨時間而變化，只有當(dāng)運(yùn)動員上下蹦跳時，蹦床才會產(chǎn)生上下波動。

圖3 蹦床運(yùn)動
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前面已經(jīng)提到，引力在四種自然力中是最弱的一種。一塊質(zhì)量為幾十克的小小磁鐵就可以吸起地面上的一根針，這說明這塊小磁鐵的電磁力超過了質(zhì)量達(dá)6 10²⁷克的地球?qū)︶樀娜f有引力。由于萬有引力是如此之微弱，因此，由它產(chǎn)生的引力波，必然也非常微弱。這就決定了探尋引力波的過程將會異常艱難。
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圖4 ？兩個質(zhì)量巨大、互相旋轉(zhuǎn)的雙星系統(tǒng)將向外輻射強(qiáng)烈的引力波
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關(guān)于引力波的探測，已有幾十年的歷史了。正如我們上面所說的，由于引力
波的強(qiáng)度異常微弱，要檢測到它，就必須尋找質(zhì)量足夠大、而且還在激烈變化或快速運(yùn)動的天體，如突然爆發(fā)的超新星、正在吞噬周圍星體物質(zhì)的黑洞或快速旋轉(zhuǎn)的雙星系統(tǒng)。（所謂“雙星系統(tǒng)”是指有一些恒星系統(tǒng)內(nèi)含有兩顆恒星、而且這兩顆恒星還圍繞對方旋轉(zhuǎn)的體系。）如果我們能接收到由這些天體發(fā)射出來的引力波信號，那一定是一首美妙無比的“宇宙之歌”。

圖5？ 黑洞正在吞噬其它天體
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現(xiàn)在我們用各種天文望遠(yuǎn)鏡所見到的宇宙，就像是一部卓別林時代的無聲電影，雖然畫面優(yōu)美，上面有閃爍神秘光芒的星星、有不露真容的霧狀星云、偶爾還能見到照亮大半個宇宙的“閃電”，但這只是一幕啞劇，總讓人感到有一些遺憾。如果我們的引力波探測儀能接收到它們“演奏”出來的音樂，那就完美了。那一對“翩翩起舞”的雙星系統(tǒng)，也許能“演奏”出如小提琴那樣動人心弦的美妙旋律；正在被黑洞的強(qiáng)大引力吸入無底深淵的天體，也許會“演奏”出如巴松管那樣嗚嗚咽咽的哀鳴聲；正在猛烈噴發(fā)的超新星所發(fā)出的聲音，一定如一組氣勢磅礴的打擊樂所發(fā)出的震耳欲聾的轟鳴。它們組合在一起，就是一首氣勢恢宏的宇宙交響樂。
我們能聽到愛因斯坦的這首宇宙交響樂嗎？下面我們來看看科學(xué)家為此所做出的種種努力。上世紀(jì)七十年代，美國天文學(xué)家羅素？胡爾斯與約瑟夫？泰勒發(fā)現(xiàn)了脈沖雙星系統(tǒng)。這是一種質(zhì)量很大、又互相繞著對方旋轉(zhuǎn)的雙星。雖然他們在觀察中未直接接收到引力波信號，但觀測到了由于引力輻射引起雙星軌道直徑的減小,這一現(xiàn)象可以間接證明引力波的存在。他們兩人也由于這項(xiàng)工作而獲得了諾貝爾獎。但這種間接證據(jù)總是不太能令人滿意，最好能找到直接證據(jù)。為此，一些科學(xué)家開始踏上了這條尋找引力波的漫長又崎嶇的道路。這條道路通向望不到頭的遠(yuǎn)方，尋找引力波的工作進(jìn)行得十分曲折和艱難，幾十年后的今天，人們還在為此而努力。
這一領(lǐng)域里的先驅(qū)者無疑當(dāng)屬約瑟夫？韋伯。韋伯參加過二次世界大戰(zhàn)，戰(zhàn)后他被聘為美國馬里蘭大學(xué)電子工程系的教授。起初他在原子、分子及輻射物理學(xué)領(lǐng)域里埋頭苦干。1951年他發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)生激光的機(jī)制，但他一時無法將它付諸現(xiàn)實(shí)，正當(dāng)他要發(fā)表自己的新思想時，另外兩個科研小組的科學(xué)家（即美國哥倫比亞大學(xué)的湯斯及蘇聯(lián)莫斯科大學(xué)的巴索夫）首先發(fā)表了他們的工作，關(guān)鍵是他們已實(shí)際制作出了激光器。后來，這兩個小組的有關(guān)科學(xué)家也獲得了諾貝爾獎，而韋伯當(dāng)然一無所獲，但他并不因此而灰心。他很快就轉(zhuǎn)向?qū)ふ乙Σǖ南嚓P(guān)工作，并且雄心勃勃，希望成為這一領(lǐng)域里的“海因里希？赫茲”。大家知道，赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了麥克斯韋預(yù)言的電磁波的存在。
上世紀(jì)六十年代初，韋伯就設(shè)計(jì)出了一種震動棒式檢測器，這是一個長約2米、直徑約1.5米的金屬棒，腰部鑲有一組能感知金屬棒長度變化的傳感器。當(dāng)有較強(qiáng)的引力波通過此儀器時，傳感器就能記錄下信號。經(jīng)過10年堅(jiān)持不懈的工作，他記錄下了海量的數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)的分析和篩選，他確認(rèn)有一批數(shù)據(jù)是由引力波產(chǎn)生的。1969年他在一次國際會議上正式宣布，他已探測到了來自太空的引力波。不久，此結(jié)果也在《物理評論快報(bào)》上發(fā)表。當(dāng)時，這一新聞引起了極大的轟動。

圖6 約瑟夫 .韋伯
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在隨后的歲月里，許多國家的研究人員也紛紛加入了這個行列，開展起了這方面的研究。當(dāng)時的蘇聯(lián)、英國、意大利、德國及日本等國家紛紛成立了有關(guān)引力波的研究小組。美國國內(nèi)的斯坦福大學(xué)、貝爾實(shí)驗(yàn)室、羅切斯特大學(xué)等單位也相繼加入了這個行列。但除了韋伯本人，其他人在他們的探測器中，并未接收到任何與引力波有關(guān)的信號。后來，人們又設(shè)法對探測器進(jìn)行了改進(jìn)，但仍一無所獲。多年后，有人設(shè)計(jì)了一種更先進(jìn)的用于探測引力波的激光干涉儀。它由兩條互相垂直的臂組成，每一條臂的兩端都安有反射鏡，先將一束激光分成兩束，分別進(jìn)入兩臂，它們在每條臂內(nèi)進(jìn)行了多次反射后又重新會合，形成干涉圖像，當(dāng)這兩臂的長度由于引力波的作用而有微小的改變時，這個干涉圖就會出現(xiàn)變化。在這種裝置中，臂的長度越長，檢測的精度也越高。但這種激光干涉儀也未能檢測到引力波的信號。雖然人們采取了各種措施，想出了無數(shù)的妙招，還是沒能發(fā)現(xiàn)神秘的引力波。這樣，人們理所當(dāng)然開始懷疑韋伯所宣稱的結(jié)果。在以后的學(xué)術(shù)會議上，韋伯的處境變得不太妙，人們對他的觀察數(shù)據(jù)進(jìn)行了種種質(zhì)疑。他開始激動，和其他學(xué)者發(fā)生激烈爭論，雖然他仍然堅(jiān)信自己的判斷和檢測結(jié)果，但其他人已不再把他的那個“大發(fā)現(xiàn)”當(dāng)回事了。

圖7 韋伯和他的共振棒探測器
由于引力波的探測工作遲遲沒有取得進(jìn)展，美國政府開始大大削減在這方面的經(jīng)費(fèi)投入。要想繼續(xù)開展研究、建造大型設(shè)備已非常困難。但仍然有一些人在這個領(lǐng)域里堅(jiān)持不懈地探索著。由于激光干涉儀和共振棒相比有許多優(yōu)點(diǎn)，有關(guān)的研究人員向美國政府申請，希望建造一臺大型激光干涉儀，但美國政府一直不予批準(zhǔn)。經(jīng)過長期的爭論，上世紀(jì)末，美國政府終于決定建造兩座耗資數(shù)億美元的大型激光干涉儀引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，縮寫為：LIGO）。此激光干涉儀的臂長達(dá)4000米，分別位于路易斯安那州和華盛頓州。LIGO是現(xiàn)今世界上臂長最長的引力波天文臺。同時建造兩座相同天文臺的目的是為了彼此核對數(shù)據(jù)，排除干擾信號。除美國外，法國和意大利也合作建造了一臺規(guī)模稍?。?/span>臂長為3000米）的類似設(shè)備。英國和德國合作，建造了一臺臂長為600米的激光干涉儀。日本也建造了一臺臂長為300米的設(shè)備，澳大利亞也在開展類似的工作。
美國的LIGO在本世紀(jì)初已基本建成，在2002年至2007年間進(jìn)行了無數(shù)次的探測，但未能測得引力波信號。2008年開始，研究人員對LIGO進(jìn)行升級改造，希望能提高探測的精度。改造以后的LIGO能順利地探測到愛因斯坦的宇宙交響樂嗎？讓我們拭目以待吧。