多一只眼睛看引力波    

作者：神人无功 

   2016年2月11日，美国加州理工学院、麻省理工学院以及“激光干涉引力波天文台(LIGO)”的研究人员宣布，他们利用LIGO探测器于2015年9月14日探测到来自两个黑洞合并的引力波信号。    

四百多年前，牛顿在他创世纪式的《原理》中首次提出了万有引力的理论模型，使我们不仅知道了我们为什么会有重量，还知道了地球为什么会永远围着太阳转圈。    

但引力本身是个什么东西？牛顿老老实实地承认——我不知道。在这本书中他说：“迄今为止，我还不能从现象中发现引力的原因。我从不杜撰假设。”这就把引力的身世之迷留给了后人。   

 地球为什么会绕着太阳转圈呢？因为地球一方面受作匀速直线运动的惯性力作用，另一方面又受与太阳相互吸引的引力作用，两种力的合力，就画出了绕太阳圆周运动的轨道。    

如果太阳突然消失，地球会在多长时间内作出反应呢？牛顿猜测，引力是一种“超距”作用力，地球会即刻改圆周运动为直线运动，不需要时间。   

 1915年爱因斯坦提出的广义相对论，把引力现象解释为一种几何现象——时空弯曲。我们把空间比作一面钢丝网，如果这个网是平直的，一只脱离了苹果树的苹果根据牛顿第一定律会悬空着静止不动。之所以会掉向地球，是因为地球的质量把这面钢丝网压出了一个大坑，苹果于是就滑落到了坑底。地球之所以没像苹果那样“滑落到坑底”（掉进太阳），是因为它凭着自身的惯性力，像马戏团的飞车走壁一样，沿着“坑壁”做圆周运动。    

如果上帝突然取走压弯空间网的太阳，空间网的由弯变直会是从中心向边缘传播的，到地球感受到空间变直就会有一个延时。爱因斯坦猜测，这应当是8秒钟——与光线传播的时间相同。换言之，引力是一种波——“引力波”！    

可以用电磁力的类比更直观地理解万有引力。我们可以用肉眼观察到的宏观世界，物体间的相互作用力看似纷纭复杂，但归结起来不过两种：电磁力和万有引力。   

 我们知道，物体由原子构成，原子由原子核和核外电子构成。两物体之间的相互作用力，其实就是两物体原子的带正电的核外电子由于“同性相斥”原理所产生的斥力。量子力学更把电磁相互作用的机制精致描述为电子间交换光子的过程：两个电子就好比两个坐在轮椅上的篮球运动员，他们互相传递一个篮球（光子），由于篮球的冲力，两个运动员在传球过程中会彼此远离。    

可以同样图解万有引力。不过此景中两个运动员传递的篮球不是光子而是“引力子”，如果说光子携带的是正能量的话，“引力子”携带的则是反能量，于是两个运动员在传球中就会彼此接近。    了解量子力学的朋友都知道，在微观物理世界，我们必须用两只眼睛——波动的眼睛和粒子的眼睛，才能看清事情的真相。电磁现象，用波动的眼睛看就是连续性的电磁波，用粒子的眼睛看就是间断性的光子流。二者并不是不同甚至相互矛盾的两个东西，而是同一个东西，区别仅在于我们的观测手段（眼睛）不同。    

引力按理也是“波粒二象性”的。既然我们现在已经观测到了引力波，应当也将会观测到“引力子”。实际上，在量子力学和超弦理论领域，都有过“引力子”的预言和建立理论模型的尝试，只是至今尚未有成功的先例。可以想到，引力波的观测成功，对于引力子的理论和实验都将是一个莫大的激励或鞭策。   

 麦克斯韦预言电磁波仅仅23年，电磁波就被观测实验证实。爱因斯坦1916年预言引力波，整整100年后才宣告观测成功。    

之所以会有如此差别，乃因为引力与电磁力相比实在是太微弱了。假如我们将电磁力的相对强度设定为1的话，万有引力的则是10－37，整整相差了37个数量级！这种差别我们在日常生活中也能观察到。比如一个1吨重的铁球从几百米的高空下落，根据万有引力公式，万有引力会每秒每秒按几何级数增加，到地面达到最大。即使这样，顶多也就在地上砸出一个坑，就被电磁斥力给抵消掉了。    

所以要观测到引力波，一是引力波的能量要足够大，二是观测仪器的精度要足够高。    

这次LIGO观测到的引力波，是两个分别为36个和29个太阳质量的黑洞合并辐射出来的。合并后的黑洞总质量为62个太阳质量，损耗掉的3个太阳质量，就转化成了引力波的能量——要知道，一个广岛原子弹的质量损耗，也就只有几十克呀！    

引力波用如此巨大的能量把空间曲率变化的信息以波动的形式辐射到地球，会造成地球空间曲率的变化，使空间拉伸或压缩。但这种变化不能用尺子丈量，因为尺子会同步变化。根据相对论，倒是有一把“尺子”是绝对不变的，那就是每秒走30万公里的光线。比如空间被拉伸了，光走完这个空间距离，就会比先前用更多的时间。    

但LIGO观测到的引力波，在几公里长的空间造成的变化也只是以纳米来计量的。如此微小的空间差，再换算成光时差，人类根本造不出测量如此精度的钟表。    办法总比困难多。LIGO观测的工作原理：从光源发射一束激光，通过分光镜分为两束，分别通过两个互相垂直的严格等长（几公里）的测光臂，然后又分别被两个测光臂顶端的反射镜反射回来，汇合一处射向探测器。在没有引力波干扰的条件下，两束光的光程完全相同，因此两束光严格同步，波峰对波峰，波谷对波谷，严丝合逢。按同相倍加异相抵消的干涉原理，两束光的相干就会在探测器上造成明暗相间的干涉条纹。    

想一想狭义相对论的尺缩效应只发生在爱因斯坦火车的运动方向上，引力波引起的空间弯曲效应也是发生在特定的方向上的。当引力波袭来，一条测光臂被拉抻了，与它垂直的另一条测光臂却不受影响。于是两束光被反射回来汇合的时候，通过被拉伸测光臂的光束就会慢那么一点点。现在两束光就不严格同步了，波峰与波峰和波谷与波谷之间，会错开以纳米计量的一点点，探测器上的干涉条纹就会发生变化。这个变化，正是引力波作案的证据！    

关于实验证实引力波的意义，其他文章已多有介绍，比如证实了爱因斯坦最后一个未被证实的预言，支持宇宙大爆炸理论，等等。这里我只讲一件趣事。我写过一篇美国科幻片《星际穿越》的评论，里面谈到该片的编剧——美国物理学家索恩的一些趣事。而这个索恩，恰好又是LIGO的创办者之一。在《星际穿越》中，索恩让在五维时空中的主人公库珀，用引力波向四维时空中的女儿发报。我想问问索恩：引力发报机何时能从电影走向现实？    （20160215）