柔软的宇宙 第20章 时空涟漪

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第20章 时空涟漪

        2016年春节期间，一个话题引爆了社交网络和各大新闻媒体，上至家学者，下至科学爱好者，甚至平常与科学井水不犯河水的文艺界人士也都开始纷纷转载消息：引力波被人类发现了。一时间引力波话题成了街头巷尾的大热门，可是很多人不知道，爱因斯坦做出这个预言，其间经历了怎样的剧情大反转。

        说起这事还要从爱因斯坦落脚到了普林斯顿讲起。此时的爱因斯坦已经是年过半百的人了，需要找一位助手来帮忙，他选中了一个小伙子叫罗森。爱因斯坦跟罗森合作，搞出了三篇论文，每一篇都很重要。老爱早已经过了科研的巅峰时期，即便如此还屡屡有神来之笔：爱因斯坦-罗森桥我们前文已经讲述过了；EPR佯谬则是和玻尔隔着大西洋打笔墨官司；爱因斯坦与德布罗意波和薛定谔是一伙儿的，他这篇论文引得薛定谔搞出了一个著名的思维实验——“薛定谔的猫”。本章的重点当然

        是他有关引力波的论文，这篇论文也是与罗森合作完成的。早年间，爱因斯坦还在鼓捣相对论的时候，就隐隐约约地感觉到会有引力波的存在。为什么呢？因为爱因斯坦认为，这个宇宙当中，没什么信号传播速度能超光速。那么引力呢？引力的传播要不要时间呢？牛顿的体系里引力的传播是立刻到达，不需要传播时间的，或者说，牛顿发现了引力与质量和距离有关，具体关系可以用万有引力来算，但是引力是如何传递的，牛顿没工夫搭理。爱因斯坦认为：引力传播是不可能超越光速的，必定需要时间，那么显然就会以波的形式向外扩散，这就是引力波。

        爱因斯坦拿到一笔经费，让他研究统一场理论，还有一部分电磁学方面的内容。当然了，他也没放弃在引力波方面的研究，他的助手罗森的合作期限快要到了，罗森对平面引力波也很有兴趣。两个人就开始研究平面引力波。万有引力定律和电磁学的库仑定律，看起来还真有那么一点像，大家都遵循平方反比规律。按照爱因斯坦的想法，他们要显示仿照电磁场的处理方式，开始构建引力场，从麦克斯韦的电磁学方程式慢慢推导，最后会变成量子化的方程。方程的一部分代表虚光子，也就是电磁力，另外一部分代表光子，也就是电磁波。方程里面隐含了一个结论，那就是光子静质量为0，凡是静质量为0的粒子，必定是以光速来运行的。这部分的东西其实已经涉及量子场论，也就是把相对论和量子力学结合起来了。

        爱因斯坦知道，电磁场可以如此处理。麦克斯韦方程式是线性的，处理起来相对容易，但是广义相对论的场方程并不是线性的，处理起来极其麻烦。只有在很弱的情况下，才可以近似认为是线性的，这叫做“弱场近似”。按照这个思路，爱因斯坦就把引力场做了类似的处理，仿照电磁方程的推导方式，看看能不能推导出一个波动的解。他与罗森两个人接着往下计算，一个老大难问题冒出来了，说白了他俩就碰上了恼人的“∞”。在物理学计算中，是需要选取坐标系的。假如坐标系选取不合适的话，会出现发散的情况，在黑洞的计算里，就遇到过这样的问题。所谓黑洞表面，也就是视界事件上，也会出现发散的情况，但是通过坐标变换，就消除了发散。在史瓦西黑洞的中心有个奇点，这个奇点是无论怎么坐标变换，都没法消除的。

        爱因斯坦当然懂这个道理啊，他跟罗森在计算引力波的时候，也碰上了这个问题。这奇点到底是能消掉的呢，还是消不掉的呢？你拍脑瓜也没用。所以呢，爱因斯坦和罗森这篇论文的题目就叫《引力波存在吗》，他俩认为，可能引力波是不存在的，原本认为有戏，现在看来够呛。写完这篇文章，罗森就去了苏联基辅大学任教，这篇论文的一切后续事宜都由爱因斯坦代理了。爱因斯坦把论文投稿给了美国当时顶尖的刊物《物理评论》，以前他们有过合作。

         美国人跟欧洲人不一样，他们发论文都要求背对背审稿，《物理评论》杂志的主编就给爱因斯坦找了个审稿的人。可爱因斯坦不知道，欧洲没这个习惯。《物理评论》要打造高质量的论文期刊，一点儿马虎不得，哪怕像爱因斯坦这样的祖师爷也不能坏了规矩。果然，审稿人员挑出若干毛病，写了一大堆的审稿意见，《物理评论》的主编就转给了爱因斯坦，话说得也很客气：“您不妨先看看审稿意见再说。”爱因斯坦心里多少有些不悦，以往都是一路绿灯，怎么这一次耽搁了一个月还没消息？他看到审稿意见，当时就给《物理评论》的主编写信，表示撤稿，不发了。自己是相对论的祖师爷，还有谁能给祖师爷审核稿子？人家主编也坚持原则，这是程序啊，不能不遵守。爱因斯坦前几篇论文也没有严格的审稿，哪知道这一回通不过。坚持原则的主编也付出了代价：爱因斯坦再也没在《物理评论》上发表过文章。

        爱因斯坦一转手，就把文章投递到了另一个名气较小的刊物上，叫《富兰克林研究所学报》。人家一看小庙来了尊大菩萨，马上就表示同意刊登。当时印刷排版都是铅字印刷，周期比较长，爱因斯坦就去忙别的事情了。正巧，他来了一个新助手叫英菲尔德，英菲尔德也跟随爱因斯坦搞引力波的研究。先前爱因斯坦与罗森合作的引力波论文当然他是看到过的，当时就有些狐疑，他觉得引力波应该是存在的，现在碰到的问题可以解决，但爱因斯坦毕竟是神一般的存在，英菲尔德也不太敢怀疑祖师爷，他还是接受了爱因斯坦的意见，引力波很可能不存在。

        后来，英菲尔德结识了一个好朋友，此人就是罗伯逊教授。一来二去两人聊到引力波问题，这个罗伯逊教授居然侃侃而谈，清晰明了地就把问题一一点破，该选哪个坐标系，该怎么计算，三下五除二就把那个让他们头痛的问题解决了。英菲尔德一听，马上告诉了爱因斯坦，爱因斯坦这几天脑子已经转过弯了，跟罗伯逊一讨论，立马态度大反转：他现在觉得引力波是存在的。

        爱因斯坦把论文的标题给改了，改成《关于引力波》，这态度是一百八十度的大反转啊！可是先前的文章已经给了费城的《富兰克林研究所学报》，人家已经开始印刷了吧？那可糟了。这要印出来那不是丢祖师爷的脸嘛！还好，《富兰克林研究所学报》送来校对稿，还没开印。爱因斯坦赶紧打补丁，幸亏没印出来，还有修改的余地，修改完了还在后边加了一句鸣谢：感谢罗伯逊教授提供了有益的帮助。罗伯逊那时候才三十七岁。

        罗森后来看到发表出来的文章一脸蒙圈，怎么结论大翻盘了，爱因斯坦你反水也太快了点儿吧！罗森还是不认账，他一直不承认引力波的存在。
当年给爱因斯坦审稿的那个人究竟是谁呢？后人逐一排查下来，目标就落在了罗伯逊本人身上。后来有人去翻故纸堆，查当年的书信和单据，当年给爱因斯坦审稿的果然就是罗伯逊自己，他并没有对外透露。当然，《物理评论》的主编当时也没告诉他论文稿子是爱因斯坦和罗森写的，只告诉他是个大神级别的人物。

       可事情就这么巧，他跟爱因斯坦是同事，而且后来还成了朋友。爱因斯坦当年接到审稿意见以后一脑门子官司，看都没看，要不然他早就可以发现自己的问题，何至于要等罗伯逊拐弯抹角地提醒他，审稿意见里面写得清清楚楚，你不仔细看怪谁啊？

        这个罗伯逊教授，名字好像在哪里见过对吧？没错，他就是那个宇宙大爆炸模型的核心公式“弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃克度规”的提出者之一，人家是那个时代少有的精通广义相对论的人之一。我们也不妨设想一下，要是英菲尔德没碰见罗伯逊，爱因斯坦和罗森那篇错误的论文发表了出去，又会是怎样一种后果？不严格的审稿对期刊或者对科学家本人来讲，都是一种伤害，对科学本身就更没有好处，这件事也多亏了《物理评论》的编辑坚持原则和罗伯逊教授的巧妙提醒。

        爱因斯坦虽然算出了引力波公式，但是大部分时间都是被束之高阁的，因为引力波根本没有办法来检测，一般的天文事件发出的引力波微乎其微。比如太阳系最大的行星——木星绕着太阳旋转，在这个过程中会不断辐射出引力波，那么质量达到地球质量三百倍的木星到底辐射出多大功率的引力波呢？大概也就五千瓦左右，约等于三个烤箱的功率，太微弱了。木星公转一周大约需要十二年时间，在那么广袤的空间里，检测一个周期长达十二年的微小波动是根本不可能的，即便是现在也难以做到。

        要想检测引力波，那有两个条件：首先是频率不能太低，像木星这样的转一圈需要十二年，恐怕没人耗得起。年纪轻轻的研究生投身引力波观测事业，仅仅测几个周期就已经到了退休年龄，这恐怕不行。还有一条就是强度大，微弱的引力波动很难检测到，能符合这个条件的，只有中子星和黑洞了，也就是高密度天体。大质量恒星塌缩成中子星或者黑洞的时候，发出的引力波微乎其微，完美对称的过程都不会产生引力波。要产生引力波，就要靠不对称的东西，两个天体相互围绕旋转是个不错的选择。

                                 图20-1　韦伯的实验装置

        实际去探测引力波，第一个吃螃蟹的人是韦伯（图20-1）。他搞了个铝制的大圆柱，圆柱上布满了感受应力的晶体。引力波是个横波，那么这个圆柱在引力波的扭曲下，会产生变形，晶体就能收集到这种信号。但是引力波非常微弱，而且引力波很难变成其他能量。相比之下，电磁波就很容易变成其他能量，很容易探测，电磁波也比引力波强得多，强度大了几十个数量级，因此韦伯探测引力波的难度非常大，热噪音就足以淹没微弱的信号。而且引力波探测器仅有一个肯定不行，那样的话没有办法排除外界的风吹草动，走路的脚步振动、机器振动等都会引发虚假信号。起码要有两套实验装置，分置于两地，相距越远越好，这样就可以排除掉很多干扰。实验装置A处有人跺了一下脚，千里之外实验装置B旁边总不会那么巧也有人跺了一下脚吧！两地实验数据对比一下，很容易排除这种噪音。韦伯就用了两个实验装置，突然有一天他发现接收到了神秘的信号，他大喜过望，可是这种信号后来再也没出现过。孤证不立，这不算数，别人也无法重复他的发现，起码要几次重复才算能确认的确是有效的信号。看来这个办法不灵，以二十世纪六十年
代的技术水平，也确实不够用。科学家们在各地建造了若干个相同原理的实验装置，都没有什么收获。此后，探测引力波的实验又一次沉寂下去，一点进展也没有。

        到了二十世纪七十年代，可算有了一点进展：脉冲星被发现了。这个脉冲星就是传说中的中子星，脉冲星密度极高，后来又发现了脉冲双星，两颗高密度的中子星，相互围着旋转，速度非常快，它们辐射出来的引力波非常强。我们的宇宙里有个基本的法则：“出来混，总要还的”，能量守恒总要遵守，一部分能量随着引力波辐射出去了，那么脉冲双星的总能量就要降低，轨道就会变小，相互就会越靠越近，直到最后撞在一起。既然如此，我们可以来算算每年这两颗星靠近多少，周期有什么样的变化。

        1974年美国科学家泰勒和赫尔斯利用引力波的公式计算了一下能量的损失状况，两颗星每年相互靠近三点五米，轨道半径逐渐变小，周期将会变慢76.5微秒。那好吧，现在可以看看计算与观测结果是不是能对上茬。他们两位花了三十年时间，仔细观测了这一对双星，发现观测结果跟引力波的计算是完全相符的，这是关于引力波的第一个靠谱的观测证据，是个间接证据。1993年，泰勒和赫尔斯获得了诺贝尔奖，以奖励他们对脉冲双星的研究。人家“炸药奖”委员会只字不提引力波，因为引力波还没被直接观测到。说话严谨低调，滴水不漏是诺贝尔奖长盛不衰的秘籍之一，正因为他们严谨的态度，诺贝尔科学类奖项常年保持了很高的公信力。

       接下来我们不得不再一次提到基普·索恩，这个计算出可穿越虫洞的家伙在引力波的探测方面也扮演了重要的角色。二十世纪七十年代，索恩是加州理工最年轻的物理学教授，和老师惠勒以及米斯纳一起写了《引力论》，这本书后来被誉为“引力圣经”。就在那个年代，索恩碰上了麻省理工的赖纳·韦斯，他提供了一个想法，就是利用激光干涉仪来探测引力波。两个人一拍即合，立马开始去四处去忽悠人忽悠钱，没钱那是万万不能的。索恩说服了加州理工掏钱支持引力波探测项目，后来又把美国国家科学基金会也拉了进来。二十世纪九十年代的时候，引力波探测项目还是科学基金会资助的最大的一个项目。仅仅有了钱不行啊，还要招揽人才。大门向全世界开放，各国都有科学家参与，现在“激光干涉引力波天文台（LIGO）”已经发展到了几千名员工，大批科学家参与其中。索恩也很擅长向公众普及科学知识，因为现代的大型科学项目离不开普通老百姓的支持，假如没有深厚的群众基础，投资人也就没那么热心，不管是大学还是国家机构，掏钱的时候都没有那么大方。索恩深谙此道，他写的科普书也很畅销，总是能够深入浅出地讲明科学道理。退休以后，索恩仍然不闲着，还担任了大片《星际穿越》的科学顾问，成了好莱坞的“非著名演员”。老头当年也很乐观，他预计1980年就能探测到引力波，但是迎来的是一次又一次的失望。在有生之年能不能看到引力波被探测到，谁也没有这个把握。

        索恩牵头推动的LIGO是一个大型的激光干涉仪，说白了就是当年迈克逊干涉仪的放大版：两条相互垂直的臂，激光束在里面穿行若干次，最后形成干涉条纹。假如引力波来袭，光路有一丝的拉长缩短，干涉条纹就会偏移，就可以被仪器检测到。一般来讲，高精度的观测都是利用光的干涉，因为光的波长很短，稍有变化，干涉条纹上就能看出来。

        LIGO观测所拥有两套干涉仪，一套安放在路易斯安那州的利文斯顿，另一套在华盛顿州的汉福。在利文斯顿的干涉仪有一对4千米长的臂，而在汉福的干涉仪则稍小，只有一对2千米长的臂。这两套LIGO干涉仪在一起工作构成一个观测所，这是因为激光强度的微小变化、微弱地震和其他干扰都可能看起来像引力波信号，如果是此类干扰信号，只会记录在一台干涉仪上，另外一台不会受影响。而真正的引力波信号则会被两台干涉仪同时记录。所以，科学家可以对两个地点所记录的数据进行比较得知哪些信号是噪声，还可以利用两台干涉仪的数据来推断信号来自何处，这也算是一种甚长基线干涉测量。LIGO从2003年开始收集数据，它是目前全世界最大的、灵敏度最高的引力波探测器，光束要在管道里面来回反射四百次，4千米的长度等于变成了1600千米。LIGO工作了一段时间，一无所获，因为灵敏度还是不够高，后来大家又花了好几年来升级设备。然后，刚一开机，还在调试阶段，就“Duang”的一声来了个强信号。经过简单的滤波，大家肉眼都看得出来，这是个明显的震荡信号，引力波信号来袭的时候，会不断拉伸扭曲激光的光路，这样光路就会不断变长变短，哪怕变化仅有一个质子直径的千分之一，也会被察觉到。果然这运气不是一般的好啊！

        2015年9月14日北京时间17点50分45秒，LIGO位于美国利文斯顿与汉福德的两台探测器同时观测到了GW150914信号。从信号波形来看，它俩越转越激烈，最后“Duang”地撞到一起，合并成为一个更大的黑洞。开始黑洞还不太圆，估计像个花生的形状，只要旋转的物体不圆，就会辐射出引力波，这个痕迹在干涉仪接收到的波形上能看出来。随着引力波不断地辐射出去，黑洞也变成了完美的对称形状。这时候，引力波消失了，一个完全对称的旋转黑洞是不会有引力波辐射的，原本两个黑洞所携带的角动量也合并了。角动量是守恒的，即便是合并了，角动量也不会消失。只用了零点二秒的时间，一个三十六倍太阳质量的黑洞和二十九倍太阳质量的黑洞，就这么合二为一了。瞬间辐射出的引力波包含的能量就相当于三个太阳质量，瞬间辐射功率超过了我们看得见的满天繁星的总发光功率。合并前他们速度达到了光速的零点六倍，这对宏观天体来讲，那是相当厉害了。

         此刻，科学界对引力波给予高度的评价！还是要说爱因斯坦他老人家英明神武，总有神来之笔，也要庆幸多亏了罗伯逊及时点破，避免了老爱晚年再犯一个错误。索恩老爷子可算是喜上眉梢了，引力波的发现可以说是达到诺贝尔奖级别的重大成果。让我们祝愿索恩老爷子身体健康，因为诺贝尔奖反应慢是出了名的，等待几十年的大有人在，去世的人不予考虑也是他们很重要的原则，看来寿命长才是王道啊！活久见！2016年6月15日，在圣迭戈美国天文学会第228届年会上，LIGO科学家宣布第二次探测到了引力波事件。经过几个月的数据处理与确认，2015年12月26日LIGO和VIRGO合作组的科学家收到了一份圣诞大礼：又听到了一声“Duang”，来源还是黑洞的合并。一个八倍太阳质量的黑洞和另外一个十四倍太阳质量的伙伴合并了，产生了一个二十一倍太阳质量的黑洞，剩下的能量伴随引力波辐射了出去。由于这两个家伙比上次发现的要小，因此“二人转”的时间也更长，科学家们可以好好地欣赏一下它们的表演。看来成双成对的黑洞基友还真是不少啊！

         LIGO的成功，别人都眼馋，欧洲各国都在搞引力波探测计划，日本也不甘落后。英德两国搞了个GEO600探测器，干涉臂长六百米；法国与意大利联合搞了个VIRGO探测器，臂长3千米；日本先前有个TAMA300探测器，臂长仅仅三百米，显然是拿不出手，后来他们也开始建造大型的KaGRA引力波探测器，如今已经进入调试阶段。LIGO和印度合作，还想在印度开一家“分号”，把一部分设备搬到印度去，搞一个LIGO-India的引力波观测站。
地面上这种几千米长的干涉臂对于100赫兹的信号最敏感，因此观察黑洞合并特别擅长。要观测慢速绕转的致密双星就不赚便宜了，因为频率太低，需要很长的干涉臂，还要放到太空里去搞。于是欧美搞了个LISA计划，想放到拉格朗日点上进行探测，在那里可以安安静静地探测引力波。无奈地主家也没有余粮，最后搞了个缩水版的eLISA计划。

        我国最近开始关注大科学工程，引力波又是热门话题，所以我国也开始搞引力波探测项目，例如天琴计划。太空里的探测器和地面上的探测频段不样，太空里面探测0.01赫兹到0.0001赫兹的频段比较合适，也就是双中子星绕行的频段，天琴计划就是针对这个频段的。天地之间的探测器是互补合作的关系，将来全球的探测器组网，对于精确的定位也有好处。现在定位很粗略，只能大约判断一条狭长的带，具体位置还是不太清楚。

        要说引力波在科学上的意义，首先是爱因斯坦预言的引力波总算被发现了，更进一步证明了广义相对论的正确性。其次是有关黑洞方面，以前我们总是推测，在星系中心有一颗超大质量的黑洞，因为那么小的范围内，有上百万个太阳质量集中在那里，想来也不可能是别的东西，但是仍然是间接地推测。这次是直接地观测到了两个完全不发光的天体发生的一次合并，完全是一次“黑吃黑”的行动。黑洞直接向我们述说了当时所发生的一切，这一次我们听到了，我们并没有靠电磁波，靠的是时空的涟漪——引力波，这是一场天文观测的革命。

        我们还关心一个问题，中子星上有山脉吗？假如中子星上面有几厘米高的山，外形就不是对称的，旋转的时候也会辐射引力波，我们观测它的引力波就能了解到中子星上的地形状况。超弦理论号称“万有理论最靠谱的候选者”，弦论总是很玄，普通人都不好理解，即便是专业人士也不见得能完全搞懂。有人说，在宇宙早期相变过程中，可能产生极细却达到宇宙学尺度的长度的“宇宙弦”，就像耳机线，你不理它，它自己就会变得乱七八糟的。宇宙弦也会自己变成一团乱麻，万一在哪里断了，也会搞出引力波。宇宙弦还会折腾出“闭合类时线”，这可是彭罗斯与霍金很不喜欢的东西。到底存不存在
宇宙弦呢？比较玄，我们不妨耐心去倾听一下，看能不能发现宇宙弦断裂的“咔吧”声。

        在理论方面，还有个大家不太注意的地方，那就是有关引力子。引力波在真空里可以任意穿行，必定是符合波粒二象性的，也就是说，既是波又是粒子。光是电磁波，但是同时也是光子，以此类推，引力波既然是存在的，那么引力子也必定存在。尽管到今天为止各种引力场量子化的理论还都不完善，但是目标值得去追求。引力波本身的计算也还不是很完善，现在传到地球的引力波都非常微弱，这种非常微弱的引力波，是可以做线性近似计算的，依靠“弱场近似”还可以对付，要是非常强的引力波，那可是一个头两个大。要是我们碰上非常强的引力波该怎么观测呢？告诉你吧，其实根本不用操那个心，也没工夫操心了，因为如果碰上非常剧烈的、波长又很短的引力波，我们会瞬间被撕碎，一切都OVER了。

        只要时间够长，什么稀奇古怪的事情都能碰上，时间真是神奇的东西。但是，最难回答的一个问题，反倒是针对时间本身的：时间是什么？没人说得清。老话说“一寸光阴一寸金”，要想了解这个我们平常都很熟悉、但是又没人能真正讲清楚的东西，看来还需要费一番周折。这本是哲学家讨论的话题，物理学家们是怎么掺和进来的呢？欲知后事如何，且听下回分解……

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