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中科院力学所
既平常又神秘的万有引力（4）
力学园地
2016年01月04日
？？？？？？ 编者按：力学研究所林烈研究员参与了中国科学院21世纪科普丛书的撰写工作。该丛书的《我们的宇宙有多大》分册中发表了他的科普文章“既平常又神秘的万有引力”。承蒙林烈研究员的盛意，本刊在此转载，以飨青少年读者。
？既平常又神秘的万有引力（4）
？？？？？？？？？？？？？？？？？ 林烈
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在前一期中，介绍了相对论和gps的关系，这一期里，我们就来说说科学家寻找引力波的故事。
下面我们就来说说关于寻找引力波的故事。什么是引力波呢？引力波是指在一个具有质量、并且运动着的物体周围存在着的一种时空波动。这是爱因斯坦根据广义相对论的原理做出的一个预言。我们不妨把引力波比喻成一部有关宇宙的交响乐章。
大家知道，爱因斯坦是二十世纪最伟大的科学家之一，他也是一位音乐爱好者，一生醉心于欧洲的古典音乐，特别喜欢巴赫及莫扎特的作品。他学习过小提琴及钢琴等乐器，演奏技术也相当娴熟。在他的一生中，那把小提琴一直陪伴着他，每当闲暇的时候，他就会拿出来拉上一曲，放松一下自己。据说，有一次为了给某个人道组织募款，他还举办过个人音乐会。
这里，我们不是要讲述爱因斯坦的音乐素养或者探寻他曾经谱写过什么有关宇宙的交响乐章，我们要讨论的是，广义相对论中有关引力波的这首宇宙交响乐，以及一些科学家为了“聆听”这首宇宙交响乐所做出的种种努力。这里为什么要把引力波比喻成交响乐呢？因为，这种引力波的频率有一部分正好处在声波的范围之内，如果我们能捕捉到来自宇宙深处的引力波信号，那它一定是一首美妙绝伦的天外交响乐。这样美好的乐曲，就如杜甫在《赠花卿》诗里所描述的：“此曲只应天上有，人间能得几回闻！”遗憾的是，几十年来，不少科学家为了捕获心目中的这部神圣乐章，历尽了无数艰难坎坷，消耗了人生的美好岁月，却始终未能听到这种梦寐以求的天籁之音。下面我们来看看，科学家们为了能“欣赏”到爱因斯坦的这首宇宙交响乐，在寻找它的这条崎岖道路上，所付出的汗水和心血。 图2 正在演奏小提琴的爱因斯坦
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广义相对论将引力的作用转化为时空的变化，即物质及能量的存在决定了时空的形状。爱因斯坦本人早就预言，根据广义相对论，宇宙中应该存在着引力波。这种引力波，不同于声波、电磁波等其他类型的波，它是时空本身的一种波动。引力波属于横波，在它的传播途径上，时空会瞬间被压缩或拉伸，但这个幅度非常小。科学家估计，如果有两个距离地球几万光年的黑洞，当他们发生碰撞时产生的引力波信号到达地球时，仅能使一米长的物体产生10－18米的变形，这个尺寸只相当于一个质子直径的几千分之一。这样微小的变化，给测量带来了巨大的困难。
引力波的研究对于那些从事宇宙学研究的人来说有着重要的意义。前文中我们曾经提到，宇宙是起源于一次大爆炸，研究大爆炸起点的情况，对于科学家来说具有无比的吸引力。但在大爆炸初期，宇宙中充满着各种辐射，它并不透明，也就是说电磁波无法透过这些区域。因此，目前的探测手段都无法获取那时的信息。但对于引力波来说，它的传播不受宇宙是否透明的影响，这样，我们就可以通过引力波的探测来获取大爆炸初期的一些信息，科学家对此寄予了希望。
目前，我们所处的宇宙空间，应该存在着各种各样的引力波信号，但如何才能接收到这些信号呢？对于一个静止不动的天体来说，虽然它的四周存在着时空的弯曲，但这个弯曲处于不变状态，它就像电学里的一个“直流信号”，不便接收和处理。但当质量巨大的天体在宇宙中发生突然的喷发（即其质量发生突变）或者在空间作激烈的运动时，它周围的时空就会发生相应的波动，这种波动将是一个“交流信号”，接收这种引力波信号相对比较容易，接收的仪器也容易对这种交流信号进行处理和放大。这就像一个蹦床运动员，当他站在蹦床上时，蹦床虽然有一个弯曲面，但没有随时间而变化，只有当运动员上下蹦跳时，蹦床才会产生上下波动。
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前面已经提到，引力在四种自然力中是最弱的一种。一块质量为几十克的小小磁铁就可以吸起地面上的一根针，这说明这块小磁铁的电磁力超过了质量达6 1027克的地球对针的万有引力。由于万有引力是如此之微弱，因此，由它产生的引力波，必然也非常微弱。这就决定了探寻引力波的过程将会异常艰难。
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关于引力波的探测，已有几十年的历史了。正如我们上面所说的，由于引力
波的强度异常微弱，要检测到它，就必须寻找质量足够大、而且还在激烈变化或快速运动的天体，如突然爆发的超新星、正在吞噬周围星体物质的黑洞或快速旋转的双星系统。（所谓“双星系统”是指有一些恒星系统内含有两颗恒星、而且这两颗恒星还围绕对方旋转的体系。）如果我们能接收到由这些天体发射出来的引力波信号，那一定是一首美妙无比的“宇宙之歌”。
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现在我们用各种天文望远镜所见到的宇宙，就像是一部卓别林时代的无声电影，虽然画面优美，上面有闪烁神秘光芒的星星、有不露真容的雾状星云、偶尔还能见到照亮大半个宇宙的“闪电”，但这只是一幕哑剧，总让人感到有一些遗憾。如果我们的引力波探测仪能接收到它们“演奏”出来的音乐，那就完美了。那一对“翩翩起舞”的双星系统，也许能“演奏”出如小提琴那样动人心弦的美妙旋律；正在被黑洞的强大引力吸入无底深渊的天体，也许会“演奏”出如巴松管那样呜呜咽咽的哀鸣声；正在猛烈喷发的超新星所发出的声音，一定如一组气势磅礴的打击乐所发出的震耳欲聋的轰鸣。它们组合在一起，就是一首气势恢宏的宇宙交响乐。
我们能听到爱因斯坦的这首宇宙交响乐吗？下面我们来看看科学家为此所做出的种种努力。上世纪七十年代，美国天文学家罗素？胡尔斯与约瑟夫？泰勒发现了脉冲双星系统。这是一种质量很大、又互相绕着对方旋转的双星。虽然他们在观察中未直接接收到引力波信号，但观测到了由于引力辐射引起双星轨道直径的减小,这一现象可以间接证明引力波的存在。他们两人也由于这项工作而获得了诺贝尔奖。但这种间接证据总是不太能令人满意，最好能找到直接证据。为此，一些科学家开始踏上了这条寻找引力波的漫长又崎岖的道路。这条道路通向望不到头的远方，寻找引力波的工作进行得十分曲折和艰难，几十年后的今天，人们还在为此而努力。
这一领域里的先驱者无疑当属约瑟夫？韦伯。韦伯参加过二次世界大战，战后他被聘为美国马里兰大学电子工程系的教授。起初他在原子、分子及辐射物理学领域里埋头苦干。1951年他发现了产生激光的机制，但他一时无法将它付诸现实，正当他要发表自己的新思想时，另外两个科研小组的科学家（即美国哥伦比亚大学的汤斯及苏联莫斯科大学的巴索夫）首先发表了他们的工作，关键是他们已实际制作出了激光器。后来，这两个小组的有关科学家也获得了诺贝尔奖，而韦伯当然一无所获，但他并不因此而灰心。他很快就转向寻找引力波的相关工作，并且雄心勃勃，希望成为这一领域里的“海因里希？赫兹”。大家知道，赫兹用实验证实了麦克斯韦预言的电磁波的存在。
上世纪六十年代初，韦伯就设计出了一种震动棒式检测器，这是一个长约2米、直径约1.5米的金属棒，腰部镶有一组能感知金属棒长度变化的传感器。当有较强的引力波通过此仪器时，传感器就能记录下信号。经过10年坚持不懈的工作，他记录下了海量的数据，通过对这些数据的分析和筛选，他确认有一批数据是由引力波产生的。1969年他在一次国际会议上正式宣布，他已探测到了来自太空的引力波。不久，此结果也在《物理评论快报》上发表。当时，这一新闻引起了极大的轰动。
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在随后的岁月里，许多国家的研究人员也纷纷加入了这个行列，开展起了这方面的研究。当时的苏联、英国、意大利、德国及日本等国家纷纷成立了有关引力波的研究小组。美国国内的斯坦福大学、贝尔实验室、罗切斯特大学等单位也相继加入了这个行列。但除了韦伯本人，其他人在他们的探测器中，并未接收到任何与引力波有关的信号。后来，人们又设法对探测器进行了改进，但仍一无所获。多年后，有人设计了一种更先进的用于探测引力波的激光干涉仪。它由两条互相垂直的臂组成，每一条臂的两端都安有反射镜，先将一束激光分成两束，分别进入两臂，它们在每条臂内进行了多次反射后又重新会合，形成干涉图像，当这两臂的长度由于引力波的作用而有微小的改变时，这个干涉图就会出现变化。在这种装置中，臂的长度越长，检测的精度也越高。但这种激光干涉仪也未能检测到引力波的信号。虽然人们采取了各种措施，想出了无数的妙招，还是没能发现神秘的引力波。这样，人们理所当然开始怀疑韦伯所宣称的结果。在以后的学术会议上，韦伯的处境变得不太妙，人们对他的观察数据进行了种种质疑。他开始激动，和其他学者发生激烈争论，虽然他仍然坚信自己的判断和检测结果，但其他人已不再把他的那个“大发现”当回事了。
由于引力波的探测工作迟迟没有取得进展，美国政府开始大大削减在这方面的经费投入。要想继续开展研究、建造大型设备已非常困难。但仍然有一些人在这个领域里坚持不懈地探索着。由于激光干涉仪和共振棒相比有许多优点，有关的研究人员向美国政府申请，希望建造一台大型激光干涉仪，但美国政府一直不予批准。经过长期的争论，上世纪末，美国政府终于决定建造两座耗资数亿美元的大型激光干涉仪引力波天文台（laser interferometer gravitational-wave observatory，缩写为：ligo）。此激光干涉仪的臂长达4000米，分别位于路易斯安那州和华盛顿州。ligo是现今世界上臂长最长的引力波天文台。同时建造两座相同天文台的目的是为了彼此核对数据，排除干扰信号。除美国外，法国和意大利也合作建造了一台规模稍小（臂长为3000米）的类似设备。英国和德国合作，建造了一台臂长为600米的激光干涉仪。日本也建造了一台臂长为300米的设备，澳大利亚也在开展类似的工作。
美国的ligo在本世纪初已基本建成，在2002年至2007年间进行了无数次的探测，但未能测得引力波信号。2008年开始，研究人员对ligo进行升级改造，希望能提高探测的精度。改造以后的ligo能顺利地探测到爱因斯坦的宇宙交响乐吗？让我们拭目以待吧。
？既平常又神秘的万有引力（4）
？？？？？？？？？？？？？？？？？ 林烈
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在前一期中，介绍了相对论和gps的关系，这一期里，我们就来说说科学家寻找引力波的故事。
爱因斯坦未竟的宇宙交响乐
？？？？ 相对论所做出的一些预言，有的已经得到了证实，有的至今还没有答案。下面我们就来说说关于寻找引力波的故事。什么是引力波呢？引力波是指在一个具有质量、并且运动着的物体周围存在着的一种时空波动。这是爱因斯坦根据广义相对论的原理做出的一个预言。我们不妨把引力波比喻成一部有关宇宙的交响乐章。
图1 引力波是一种时空本身的波动
？大家知道，爱因斯坦是二十世纪最伟大的科学家之一，他也是一位音乐爱好者，一生醉心于欧洲的古典音乐，特别喜欢巴赫及莫扎特的作品。他学习过小提琴及钢琴等乐器，演奏技术也相当娴熟。在他的一生中，那把小提琴一直陪伴着他，每当闲暇的时候，他就会拿出来拉上一曲，放松一下自己。据说，有一次为了给某个人道组织募款，他还举办过个人音乐会。
这里，我们不是要讲述爱因斯坦的音乐素养或者探寻他曾经谱写过什么有关宇宙的交响乐章，我们要讨论的是，广义相对论中有关引力波的这首宇宙交响乐，以及一些科学家为了“聆听”这首宇宙交响乐所做出的种种努力。这里为什么要把引力波比喻成交响乐呢？因为，这种引力波的频率有一部分正好处在声波的范围之内，如果我们能捕捉到来自宇宙深处的引力波信号，那它一定是一首美妙绝伦的天外交响乐。这样美好的乐曲，就如杜甫在《赠花卿》诗里所描述的：“此曲只应天上有，人间能得几回闻！”遗憾的是，几十年来，不少科学家为了捕获心目中的这部神圣乐章，历尽了无数艰难坎坷，消耗了人生的美好岁月，却始终未能听到这种梦寐以求的天籁之音。下面我们来看看，科学家们为了能“欣赏”到爱因斯坦的这首宇宙交响乐，在寻找它的这条崎岖道路上，所付出的汗水和心血。 图2 正在演奏小提琴的爱因斯坦
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广义相对论将引力的作用转化为时空的变化，即物质及能量的存在决定了时空的形状。爱因斯坦本人早就预言，根据广义相对论，宇宙中应该存在着引力波。这种引力波，不同于声波、电磁波等其他类型的波，它是时空本身的一种波动。引力波属于横波，在它的传播途径上，时空会瞬间被压缩或拉伸，但这个幅度非常小。科学家估计，如果有两个距离地球几万光年的黑洞，当他们发生碰撞时产生的引力波信号到达地球时，仅能使一米长的物体产生10－18米的变形，这个尺寸只相当于一个质子直径的几千分之一。这样微小的变化，给测量带来了巨大的困难。
引力波的研究对于那些从事宇宙学研究的人来说有着重要的意义。前文中我们曾经提到，宇宙是起源于一次大爆炸，研究大爆炸起点的情况，对于科学家来说具有无比的吸引力。但在大爆炸初期，宇宙中充满着各种辐射，它并不透明，也就是说电磁波无法透过这些区域。因此，目前的探测手段都无法获取那时的信息。但对于引力波来说，它的传播不受宇宙是否透明的影响，这样，我们就可以通过引力波的探测来获取大爆炸初期的一些信息，科学家对此寄予了希望。
目前，我们所处的宇宙空间，应该存在着各种各样的引力波信号，但如何才能接收到这些信号呢？对于一个静止不动的天体来说，虽然它的四周存在着时空的弯曲，但这个弯曲处于不变状态，它就像电学里的一个“直流信号”，不便接收和处理。但当质量巨大的天体在宇宙中发生突然的喷发（即其质量发生突变）或者在空间作激烈的运动时，它周围的时空就会发生相应的波动，这种波动将是一个“交流信号”，接收这种引力波信号相对比较容易，接收的仪器也容易对这种交流信号进行处理和放大。这就像一个蹦床运动员，当他站在蹦床上时，蹦床虽然有一个弯曲面，但没有随时间而变化，只有当运动员上下蹦跳时，蹦床才会产生上下波动。
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前面已经提到，引力在四种自然力中是最弱的一种。一块质量为几十克的小小磁铁就可以吸起地面上的一根针，这说明这块小磁铁的电磁力超过了质量达6 1027克的地球对针的万有引力。由于万有引力是如此之微弱，因此，由它产生的引力波，必然也非常微弱。这就决定了探寻引力波的过程将会异常艰难。
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关于引力波的探测，已有几十年的历史了。正如我们上面所说的，由于引力
波的强度异常微弱，要检测到它，就必须寻找质量足够大、而且还在激烈变化或快速运动的天体，如突然爆发的超新星、正在吞噬周围星体物质的黑洞或快速旋转的双星系统。（所谓“双星系统”是指有一些恒星系统内含有两颗恒星、而且这两颗恒星还围绕对方旋转的体系。）如果我们能接收到由这些天体发射出来的引力波信号，那一定是一首美妙无比的“宇宙之歌”。
？
现在我们用各种天文望远镜所见到的宇宙，就像是一部卓别林时代的无声电影，虽然画面优美，上面有闪烁神秘光芒的星星、有不露真容的雾状星云、偶尔还能见到照亮大半个宇宙的“闪电”，但这只是一幕哑剧，总让人感到有一些遗憾。如果我们的引力波探测仪能接收到它们“演奏”出来的音乐，那就完美了。那一对“翩翩起舞”的双星系统，也许能“演奏”出如小提琴那样动人心弦的美妙旋律；正在被黑洞的强大引力吸入无底深渊的天体，也许会“演奏”出如巴松管那样呜呜咽咽的哀鸣声；正在猛烈喷发的超新星所发出的声音，一定如一组气势磅礴的打击乐所发出的震耳欲聋的轰鸣。它们组合在一起，就是一首气势恢宏的宇宙交响乐。
我们能听到爱因斯坦的这首宇宙交响乐吗？下面我们来看看科学家为此所做出的种种努力。上世纪七十年代，美国天文学家罗素？胡尔斯与约瑟夫？泰勒发现了脉冲双星系统。这是一种质量很大、又互相绕着对方旋转的双星。虽然他们在观察中未直接接收到引力波信号，但观测到了由于引力辐射引起双星轨道直径的减小,这一现象可以间接证明引力波的存在。他们两人也由于这项工作而获得了诺贝尔奖。但这种间接证据总是不太能令人满意，最好能找到直接证据。为此，一些科学家开始踏上了这条寻找引力波的漫长又崎岖的道路。这条道路通向望不到头的远方，寻找引力波的工作进行得十分曲折和艰难，几十年后的今天，人们还在为此而努力。
这一领域里的先驱者无疑当属约瑟夫？韦伯。韦伯参加过二次世界大战，战后他被聘为美国马里兰大学电子工程系的教授。起初他在原子、分子及辐射物理学领域里埋头苦干。1951年他发现了产生激光的机制，但他一时无法将它付诸现实，正当他要发表自己的新思想时，另外两个科研小组的科学家（即美国哥伦比亚大学的汤斯及苏联莫斯科大学的巴索夫）首先发表了他们的工作，关键是他们已实际制作出了激光器。后来，这两个小组的有关科学家也获得了诺贝尔奖，而韦伯当然一无所获，但他并不因此而灰心。他很快就转向寻找引力波的相关工作，并且雄心勃勃，希望成为这一领域里的“海因里希？赫兹”。大家知道，赫兹用实验证实了麦克斯韦预言的电磁波的存在。
上世纪六十年代初，韦伯就设计出了一种震动棒式检测器，这是一个长约2米、直径约1.5米的金属棒，腰部镶有一组能感知金属棒长度变化的传感器。当有较强的引力波通过此仪器时，传感器就能记录下信号。经过10年坚持不懈的工作，他记录下了海量的数据，通过对这些数据的分析和筛选，他确认有一批数据是由引力波产生的。1969年他在一次国际会议上正式宣布，他已探测到了来自太空的引力波。不久，此结果也在《物理评论快报》上发表。当时，这一新闻引起了极大的轰动。
？
在随后的岁月里，许多国家的研究人员也纷纷加入了这个行列，开展起了这方面的研究。当时的苏联、英国、意大利、德国及日本等国家纷纷成立了有关引力波的研究小组。美国国内的斯坦福大学、贝尔实验室、罗切斯特大学等单位也相继加入了这个行列。但除了韦伯本人，其他人在他们的探测器中，并未接收到任何与引力波有关的信号。后来，人们又设法对探测器进行了改进，但仍一无所获。多年后，有人设计了一种更先进的用于探测引力波的激光干涉仪。它由两条互相垂直的臂组成，每一条臂的两端都安有反射镜，先将一束激光分成两束，分别进入两臂，它们在每条臂内进行了多次反射后又重新会合，形成干涉图像，当这两臂的长度由于引力波的作用而有微小的改变时，这个干涉图就会出现变化。在这种装置中，臂的长度越长，检测的精度也越高。但这种激光干涉仪也未能检测到引力波的信号。虽然人们采取了各种措施，想出了无数的妙招，还是没能发现神秘的引力波。这样，人们理所当然开始怀疑韦伯所宣称的结果。在以后的学术会议上，韦伯的处境变得不太妙，人们对他的观察数据进行了种种质疑。他开始激动，和其他学者发生激烈争论，虽然他仍然坚信自己的判断和检测结果，但其他人已不再把他的那个“大发现”当回事了。
由于引力波的探测工作迟迟没有取得进展，美国政府开始大大削减在这方面的经费投入。要想继续开展研究、建造大型设备已非常困难。但仍然有一些人在这个领域里坚持不懈地探索着。由于激光干涉仪和共振棒相比有许多优点，有关的研究人员向美国政府申请，希望建造一台大型激光干涉仪，但美国政府一直不予批准。经过长期的争论，上世纪末，美国政府终于决定建造两座耗资数亿美元的大型激光干涉仪引力波天文台（laser interferometer gravitational-wave observatory，缩写为：ligo）。此激光干涉仪的臂长达4000米，分别位于路易斯安那州和华盛顿州。ligo是现今世界上臂长最长的引力波天文台。同时建造两座相同天文台的目的是为了彼此核对数据，排除干扰信号。除美国外，法国和意大利也合作建造了一台规模稍小（臂长为3000米）的类似设备。英国和德国合作，建造了一台臂长为600米的激光干涉仪。日本也建造了一台臂长为300米的设备，澳大利亚也在开展类似的工作。
美国的ligo在本世纪初已基本建成，在2002年至2007年间进行了无数次的探测，但未能测得引力波信号。2008年开始，研究人员对ligo进行升级改造，希望能提高探测的精度。改造以后的ligo能顺利地探测到爱因斯坦的宇宙交响乐吗？让我们拭目以待吧。