引力波探测与黑洞：理解宇宙演化之谜的新证据
张天蓉
知识分子
2016-02-13
LIGO项目执行主任、加州理工学院教授David Reitze宣布，我们发现了引力波！我们做到了！图片来源：LIGO新闻发布会直播截图
编者按：
物理学家们在经过了长久的等待之后，终于探测到了引力波，这是爱因斯坦在天国里也“梦寐以求”的东西。美国德州奥斯汀大学理论物理博士张天蓉先生应《知识分子》邀请就引力波探测撰文时作上述表示。当年张天蓉博士论文研究课题就是有关引力波在黑洞附近的散射问题，而在近30年来，她一直在关注引力波探测的进展。
这篇独家解读文章不仅通俗解释了20世纪后半叶天文学的重大发现对人类理解宇宙演化图景的认识，而且其评论认为，作为最重要的线索引力波的发现，科学家们可以通过它来进一步探测和理解宇宙中的物理演化过程，为恒星、星系、乃至宇宙自身现有的演化模型，提供新的证据，并将再次证明量子力学和广义相对论这两个理论的正确性。
众所周知，世间万物之间存在万有引力，比如说，物体在地球上的重量，便是地球对其引力所致。然而，为众人所熟知的引力，科学家却尚未完全了解它的本质。无论是理论或实验领域，物理学家们对引力仍然在努力地探索不止。
华盛顿当地时间2016年2月11日星期四上午10点30分，LIGO（激光干涉引力波天文台）加上MIT的专家们，召开了新闻发布会，向全世界宣布首次直接探测到了引力波的消息，据说是遥远宇宙空间之外的，由两个黑洞（36倍太阳质量和29倍太阳质量）碰撞并合成一个62倍太阳质量的黑洞所引发。全世界都为之振奋，天文界和物理界的专家们更是激动不已。
那么，什么是引力波？引力波的探测与黑洞有何关系？LIGO是如何探测到引力波的？为什么人们如此激动？它对我们的科学技术将有何影响？
如前所述，牛顿的万有引力定律揭示了引力与万物的关系。而爱因斯坦的广义相对论则将引力与四维时空的弯曲性质联系在一起。物质的质量使得四维时空弯曲，弯曲的时空又影响其中物体的运动，使其运动轨迹成为曲线而非直线。犹如一大片无限扩展的弹性网格（床）以及上面滚动的小球互相影响一样：网格形状因小球重量而弯曲，小球的运动轨迹又因网格的弯曲而改变，见图1a。
设想弹性网格床上突然掉下一个很重的大铅球。铅球不仅使得网格的形状大大改变，而且还将引起弹性床的大震荡，就像一颗石子投在平静的水面上引起涟漪一样，铅球引起的震荡将传播到弹性床的四面八方。
上面涟漪的比喻用到四维弯曲时空中，便是物理学家们企图探测的引力波，见图1-b。与电荷运动时会产生电磁波相类比，物质在运动、膨胀、收缩的过程中，也会在空间产生涟漪并沿时空传播到另一处，这便是引力波。
理论上来说，根据广义相对论，任何作加速运动的物体，不是绝对球对称或轴对称的时空涨落，都能产生引力波。引力波存在的理论预言早在100年之前就被爱因斯坦给出，但是，由于引力波携带的能量很小，强度很弱，物质对引力波的吸收效率又极低，一般物体产生的引力波，不可能在实验室被直接探测到。举例来说，地球绕太阳相互转动的系统产生的引力波辐射，整个功率才大约只有200瓦，而太阳电磁辐射的功率是它的1022倍。
仅仅200瓦！可以想象得到，照亮一个房间的电灯泡的功率，散发到太阳—地球系统这样一个偌大的空间中，效果将如何？所以，地球—太阳体系发射的微小引力波一直完全无法被检测到。
笔者当年博士论文的课题是有关引力波在黑洞附近的散射问题，记得30年前的一次讨论会上，有人提到何时探测到引力波的问题时无人作声，只有约翰·惠勒笑嘻嘻、信心满满地说了一句“快了！”。我当时只知道推导数学公式，对探测引力波的实验一无所知，但惠勒这句“快了”在脑袋中却记忆颇深，也从此关心起引力波是否真正存在的问题。
1993年，传来了两位美国科学家获得诺贝尔物理奖的消息。他们便是因为研究双星运动，即两颗双中子星相互围绕着对方公转，而间接证实了引力波的存在。我当时便立即想起了惠勒的话，心想：果然“快了”！
2007年，在加州偶然碰到一个原来一起在相对论中心的同学，他在某天文台做天体物理，谈及引力波，他也说快了，因为LIGO将要再次升级，升完就“快了”。2014年，又一次传来探测到引力波的消息。
因为普通物体的引力波难以探测，科学家们把目光转向浩渺的宇宙。宇宙中存在质量巨大又非常密集的天体，超新星爆发、黑洞碰撞等产生强引力场的情况时有发生，因而便有可能会发出能够被探测到的引力波。特别是，还有另一个超强引力的环境存在于大爆炸的初期。所谓大爆炸，是科学界公认的一个宇宙演化模型。根据这个模型，宇宙起源于约137亿年前的极高温、极高密度的原始火球的一次热爆炸。
然后，随着宇宙的膨胀，世界从密到稀、从热到冷，最后演化成为我们现在所见的宇宙。
2014年传言哈佛设在南极的BICEP2探测器探测到了引力波，指的是大爆炸初期暴涨阶段发出的“原初引力波”在微波背景辐射图上打上的“印记”。但是，后来证实这是一次误导，是一次由尘埃物质造成的假象。直到这次的LIGO，才似乎真正直接探测到了引力波。当初惠勒的这句“快了”，实现起来也至少花了30年，爱因斯坦就更不用说，已经等待一百年了！
前几年美国花费巨资升级的LIGO，是目前最有希望观测到引力波的仪器，它的基本原理是使用激光干涉仪，见图2a。从一点发射出两束垂直的激光，利用两条激光光束的相位差来探测引力波，见图2c。每束光在传播距离L后返回，其来回过程中若受到引力波影响，行程所用时间将发生改变而影响到两束光的相对相位。如果没有探测到引力波，结果是如图2c上图所示的圆形图案；如果探测到引力波，结果是如图2c下面所示的几个椭圆。
干涉臂的长度L越长，测量便越精确。以LIGO为例，双臂长度为4千米，见图2b。
图2d是LIGO在发布会上公布的结果，图中可见显然不对称的椭圆。LIGO观测所拥有两套干涉仪，一套安放在路易斯安娜州的李文斯顿（Livingston），另一套在华盛顿州的汉福(Hanford)。两台干涉仪都得到类似的结果。
测量到引力波的意义非凡，首先，这意味着科学家们可以通过它来进一步探测和理解宇宙中的物理演化过程，为恒星、星系、乃至宇宙自身现有的演化模型，提供新的证据，有一个更为牢靠的基础。其二，过去的天文学基本上是使用光作为探测手段，而现在观测到了引力波，便多了一种探测方法，也许由此能开启一扇天文学观测方面新学科（引力波天文学）的大门。
此外，大爆炸模型，以及黑洞等发射的引力波，都是建立在量子力学和广义相对论的基础上。如今真正探测到了理论预言的引力波，就能再次证明这两个理论的正确性，对基础物理学的研究将意义重大。
20世纪60年代，天文学中有四个重大的发现：星际有机分子，微波背景辐射，脉冲星和类星体。这四个发现都是由研究射电天文方法探测到的无线电波而得到的结论。星际有机分子的发现有助于人类深入了解星云，也有可能由此揭开生命起源的奥秘。其余的三项发现都与“引力”有关，也就是说，直接或间接地为100年之前爱因斯坦建立的广义相对论提供了实验观测的证据。
半个世纪之前被两个美国工程师所观察证实的微波背景辐射，为基于广义相对论来描述宇宙的诞生和演化过程的大爆炸模型提供了十分重要的依据。微波背景辐射使宇宙学成为了一门精准的实验科学，对CMB辐射图细节的分析和研究，至今方兴未艾。脉冲星实际上是中子星，即核心由中子构成。广义相对论建立之后，天体物理学家们也用这个理论来研究恒星的演化过程，恒星的生命历程是与其质量大小紧密相关的，本质上也就是与引力相关。
诸如太阳大小的恒星，寿命大约为100亿年，比如我们的太阳正值中年，或者说，大约再过50亿年之后，太阳会爆发成红巨星，然后冷却，成为白矮星，最后还可能成为至今未观测到的黑矮星。但是，质量超过3倍太阳的恒星的命运与太阳不太一样了，它们在爆发成红巨星和超新星之后，因为它们自身强大的引力，最后将“塌缩”成中子星或黑洞。发现脉冲星，即中子星的过程颇富戏剧性，那是在1967年10月，一个似乎带点偶然的事件。
安东尼·休伊什（Antony Hewish，1924年－）是一位英国射电天文学家，他设计了一套接受无线电波的设备，让他一位女研究生贝尔·伯奈尔日夜观察。贝尔在收到的信号中发现一些周期稳定（1.337秒）的脉冲信号。这么有规律！难道是外星人发来的吗？贝尔兴致勃勃地向休伊什报告并继续将收到的信号加以研究，两人将这些信号称为“小绿人”，意为来自外星人。
但后来又发现这些脉冲没有变化，不像携带着任何有用的信息。最后人们将这一类新天体称为“脉冲星”，并且确认它们就是30年前朗道预言的中子星，发出的脉冲是中子星快速旋转的结果。安东尼·休伊什也因此而荣获1974年的诺贝尔物理学奖，但大多数人对贝尔未能获奖而愤愤不平。比如霍金在《时间简史》一书中，就只说脉冲星是贝尔发现的。
中子星虽然密度极大，大到难以想象的程度，但它毕竟仍然是一个由我们了解甚多的“中子”组成的。中子是科学家们在实验室里能够检测得到的东西，是一种大家熟知的基本粒子，在普通物质中也都存在。而黑洞是什么呢？就实在是难以捉摸了。黑洞从通俗的意义上理解就是任何东西进去就出不来，光也是如此。从广义相对论的角度而言，黑洞是空间的一个奇点。因此也可以说，恒星最后塌缩成了黑洞，才谈得上是一个真正奇妙的“引力塌缩”。
刚才说到的60年代天文界“四大发现”的另一个是类星体的发现。为什么叫类星体呢？因为如果用光学望远镜观测它们的外貌，看起来与恒星（星体）似乎没有任何区别。但是，从它们观察到的“红移”值非常大，又不可能是恒星，因此便被称为“类星体”。
从类星体的红移值，它们更像是星系，然而，也可以从观测类星体的光度变化周期来判定它们的大小，结果却发现其大小远远小于一般星系的尺度。类星体的尺度虽小辐射能力却相当的大。另外还有一些难以解释的特点，以及后来大量的观测数据，使得人们将它们与黑洞联系在一起。之后，发现了类星体的宿主星系后，天文学的主流观点基本上认为类星体是年轻而活跃的星系核，是星系发展早期的一段过程，叫做“活动星系核”（AGN）阶段。
而在星系核的中心，是一个巨大的超重黑洞，在黑洞的强大引力作用下，一些尘埃或恒星物质围绕在黑洞周围，形成了一个高速旋转的吸积盘。外部的物质被吸进吸积盘，而卷入到黑洞视界以内的物质则不停地掉入黑洞里，被黑洞吞噬，巨大的物质喷流从与吸积盘平面相垂直的方向高速喷出，同时伴随着大量的能量辐射。
类星体最后将会演化成如同我们银河系这一类旋涡星系，或者是另外一类：椭圆星系。
最有意思的是，后来天文学家们观察到一些拥有两个超重黑洞的类星体，这就大大激发了人们的兴趣。黑洞既然会吞噬周围的一切，那么，两个黑洞碰到一起，会发生一些什么呢？最简单最直观的猜测应该是：它们将互相吞噬，最后合并成一个更大的黑洞。在这个碰撞融合的过程中，一定会以引力波的形式释放大量能量，见图3。第一个在吸积盘内发现有双超重黑洞的类星体是位于室女座的PKS 1302-102，它距离地球35亿光年。
这个类星体位于一个椭圆星系内。根据计算，这两个黑洞应在33.39亿年前就已经互相吞噬而合并了，但这合并后的景象传到我们这儿需要35亿年！这些光信息还在半途中，因而我们仍然将观测到“双黑洞”！不过，从现在开始，从这个类星体接受到的信息应该是非常精彩的，能让我们看到两个黑洞如何碰撞并合并！图4是两个黑洞碰撞并融合的计算机模拟图。
此外，除了光信号之外，还有引力波，物理理论认为引力波也是按照光速传播的，那么，两个黑洞的碰撞合并事件中产生的引力波，也应该可以被探测到！于是，双黑洞的类星体，或者具有两个黑洞的双星系统，成为探测引力波的热门候选天体，近几年，美国的LIGO的观测目标便指向了这类天体。
专家们这次向全世界宣布首次直接探测到了引力波的消息，据说是遥远宇宙空间之外的，由两个黑洞（36倍太阳质量和29倍太阳质量）碰撞并合成一个62倍太阳质量的黑洞所引发。显然这儿有一个疑问：36+29=65，而非62，还有3个太阳质量的物质到哪儿去了呢？其实这正是我们能够探测到引力波的基础。相当于三个太阳质量的物质转化成了巨大的能量释放到太空中！
正因为有如此巨大的能量辐射，才使远离这两个黑洞的小小地球上的我们，探测到了碰撞并合之后传来的已经变得很微弱的引力波。