2017年诺贝尔物理奖授予了引力波探测的成果。诺贝尔委员会强调,这是对参与相关研究前仆后继的人们的共同认可。最初提出使用激光相干方法进行引力波探测的是苏联科学家,但首先付诸实践进行相关实验的是MIT的物理学家Rainer Weiss。他首先做了一个1米长度的干涉仪,虽然没有探测到引力波,但奠定了相关实验设置的基本构架。
根据爱因斯坦的广义相对论,引力实际是时空几何的弯曲。广义相对论的方程表明,这种弯曲随时间的变化可以用波的形式传播,称为引力波。引力波是一种横波,也就是说它的振动方向与传播方向垂直。LIGO(激光相干引力波观测台)的工作原理就是利用这个拉长与压缩的差异,进行引力探测。
在LIGO里,两道激光实际往返百次,这就相当于把两个回路的距离增长到上千公里。计算表明,两个30倍太阳质量的黑洞相绕狂舞,两者距离300公里,一秒钟转100圈,庞大的质量、速度达到光速一半,产生的引力波在黑洞附近固然强大,但传到10亿光年外的地球,强度只有约10万亿亿分之一。
值得注意的是,空间拉伸的并不意味着物体的拉伸。如果引力波垂直于屏幕对着你传出,计算机屏幕的长宽并不会变化。这是因为屏幕是一个通过分子间的作用紧密结合在一起的整体,分子间的距离取决于电磁作用,微弱引力完全可以忽略。
LIGO的两条光路距离之所以在变化,是因为其悬挂的镜子是可以在水平方向自由运动的。我在《引力波探测的滤震(2)》分析了两级单摆的滤振,但这个悬挂装置还有一个用途,就是使镜子在水平方向(也就是探测平面)处于自由状态,可以跟着空间的伸缩而动。这样,光的两条道路的距离也就随之而变了。
引力波是爱因斯坦基于其引力场方程提出,激光也是基于爱因斯坦提出的受激辐射的量子理论。LIGO探测引力波是站在巨人的肩膀上。面对这样的难题,西方科学界数代人投入大量资源,经过近一百年的努力,才取得这样基本的成果,光凭功利思维是不可能的。