引力波，一個世紀的求索

胡一鳴 發表於  今天14:38

400多年前，當伽利略第一次將望遠鏡指向星空時，一個新的時代開啟了。從那時起，天文學家用一個又一個震撼人心的觀測不斷拓展著人類的視野。經過漫長的發展和技術進步，今天的天文觀測早已今非昔比，然而本質上，觀測星空的天文學家手裡的工具基本上萬變不離其宗：用越來越大的口徑接收來自天體的光子，並用越來越靈敏的探測器記錄它們。

而今年，在愛因斯坦提出廣義相對論整整一個世紀的歷史性時刻，我們站在了一個新時代的起點：通過位於美國列文斯頓和漢福德的高新引力波探測器，人類有望在不遠的將來捕捉到時空的漣漪，用一種前所未有的方式看待這個世界。

那麼，什麼是引力波呢？

要理解引力波，其實也不難。

用一句話來概括廣義相對論，那就是：時空命令物質如何運動，而物質引導時空如何彎曲。當物質的分佈改變時，時空也會相應變化，這一變化以光速傳播開去，就好像在平靜的湖面上丟下一粒小石子，湖面就會有一圈波浪向外盪去，時空也會將漣漪向外傳開，這便是引力波了。

關於引力波的強度，愛因斯坦也很快計算了出來——非常微弱。假設迎面走來一串引力波，你會變高變瘦，接下來變矮變胖，再變高變瘦⋯⋯ 當然，想靠引力波改變體型是不可能了，除非你就站在引力波波源附近（友情提醒：黑洞有100種方法讓你在它旁邊活不下去，如果你想試試，黑洞是不介意陪你玩玩的），否則引力波只會把你的身高拉高（然後壓扁）那麼一點點——大概就是一個氫原子的100億分之一吧。



由兩個黑洞產生的引力波的3D示意圖。圖片來源：Henze,NASA

引力波是物理實際嗎？

然而，接下來愛因斯坦卻犯了難。在引入線性、低速等近似之後，得到的這麼一個叫做引力波的東西，到底是數學上的一個遊戲，還是一種物理的實際？要知道，通過坐標變換，似乎是可以消除引力波的呀！

回首100年前，那是很少有人能真正理解廣義相對論的時代，甚至愛因斯坦本人在一些問題上也犯下不少錯誤。最著名的例子就是宇宙學常數Λ了。當初為了維持靜態宇宙而人為引入的參數，在哈勃用觀測事實向世人證明宇宙的膨脹后，被愛因斯坦不無遺憾地承認為其「一生最大的錯誤」。

在接下來的幾年中，愛因斯坦幾次修改對引力波的判斷。廣義相對論的開山鼻祖尚且摸不著頭腦，別的科學家更是莫衷一是。引力波強度微弱暫且不論，在它是否存在都有爭議的情況下，任何嚴肅的探測引力波的努力都很難讓人信服。

直到 1955 年費曼在一個會議上提出了著名的「粘珠」思想實驗后，這一情況才基本塵埃落定。費曼的論證是這樣的：想象一個珠子穿在一根柱子上，並且可以自由移動，垂直於柱子方向如果有引力波經過，將會產生相對於柱子中心的引潮力。而珠子在引潮力的作用下會相對柱子運動，如果有摩擦就會產熱，所以引力波是物理實際的。一干物理學家要求費曼說人話，於是有一個叫做赫爾曼·邦迪的青年幫費曼總結了一下：引力波在理論上會導致物體摩擦生熱，熱就是能，它的源頭只能是引力波，所以引力波肯定有能量。如果引力波僅僅是一個數學遊戲，它不可能無中生有地產生能量，所以它是有物理對應的。



費曼的「粘珠」思想實驗。圖片來源：wordpress.com

確定引力波是真實存在的物理效應以後，終於可以考慮探測的問題了。

探測引力波，簡單來說，很難。

和電磁波相比，引力實在是很弱的力，比起表徵電磁力強度的精細結構常數，表徵引力強度的引力常數G要小上好幾個數量級。而且引力波實在是很「懶」，很少與物質發生任何作用。假設一列引力波以平面波形式傳播，在真空的宇宙空間中，它不會有任何衰減，永遠傳遞下去。但如果存在物質，就會與引力波相互作用並吸收一部分引力波攜帶的能量。

設想宇宙中堆滿了番茄醬，正如費曼所指出的那樣，引力波經過這堆番茄醬時，多少會損耗一些能量。那麼這垛番茄醬砌成的牆得多厚，才能吸收掉 1%的引力波能量呢？1光年？1000光年？100萬光年？都不是！答案是，差不多 400萬億光年！要知道，可觀測宇宙的尺度也不過是1000億光年左右。也就是說，要把4000個宇宙首尾相連，堆滿番茄醬，當一個引力波穿過之後，也不過才損失了1%的能量（順便提一下，這個過程需要花上400萬億年）。

那麼，我們到底怎樣才能測量引力波呢？腦洞大開的科學家憋著什麼大招呢？欲知詳情如何，且聽我下回分解。

（編輯：Steed）