第一性原理：第17章 引力波

第一性原理：21堂科學通識課

作者：[英]馬庫斯·喬恩

第17章　引力波

它們是在像鼓皮一樣的時空表面產生的振動——是宇宙的聲音。

女士們、先生們……我們探測到了引力波。我們成功了！

                  ——大衛·雷茨(David Reitze)

引力波是時空結構中的波動，它以發生源為中心向外擴散傳播，就像池塘水面上的同心漣漪。愛因斯坦在1916年預測了引力波的存在，這是基於他於1915年11月在柏林提出的引力理論——廣義相對論所得出的結果（參見第12章）。

根據廣義相對論，質量——或者更廣義地說，能量可以彎曲時空。事實上，引力就是時空的彎曲。儘管我們覺得自己是被一種稱為引力的“力”粘在了地球表面，但其實我們是站在地球的質能所創造的時空低谷的斜坡上。我們之所以沒有意識到這一點，是因為時空是四維的，而我們只能感知到其中三個維度，只有愛因斯坦天才般的洞察才能看透其中的奧秘。時空也可以發生波動，從而產生引力波，這從本質上證明瞭時空實際上是一個可以被物質的存在扭曲的“物體”。

只要物質的運動狀態發生改變，或者說處於加速狀態，就會產生引力波。在空中揮手，你就產生了無形的時空漣漪，它現在正以光速從你的手向外傳播，轉眼間它已經飛出地球大氣層，越過月球向火星飛去。經過四年多的時間，它將到達離我們最近的恆星系統——半人馬座α。這個恆星系統包括三顆恆星，其中之一的比鄰星已經確認有一顆行星在圍繞它運行。如果這顆被稱為“比鄰星b”的行星上存在一個先進的技術文明，而且他們建造了一個超級靈敏的引力波探測器，那麼你剛才在空中揮手發出的引力波就會在四年後被他們接收到！

實際情況是，這樣的引力波非常微弱，難以被探測到，因為引力是一種非常微弱的力，這等同於說時空是非常堅硬的。事實上，時空比鋼鐵還要堅硬1000億億億倍。讓鼓皮振動起來很容易，因為它具有很好的彈性，但可以想象要讓一張比鋼鐵堅硬1000億億億倍的鼓皮振動起來有多難。時空的硬度高得如此令人難以置信，這意味著明顯的引力波，即那些可能被地球上的實驗所探測到的引力波，只能是那些由宇宙中最劇烈的質量運動所產生的引力波。在實踐經驗中，這指的就是像黑洞這樣的超致密物體的災難性合併（參見第14章）。

這樣的事件很少發生，因此即使是距離我們最近的事件也可能發生在宇宙中非常遙遠的地方。這意味著，當這些引力波到達地球時，由於在廣袤的空間中走了很遠的距離，它們已經嚴重衰減，就像池塘中的漣漪距離發生源越遠就會變得越微弱一樣。

引力波在經過時會引發空間的伸縮，但是這種效應太微弱了，在像人這樣小尺度的物體上是無法測量出來的。為了能探測到引力波，我們必須在一個非常大的物體上觀測其伸縮。

在美國路易斯安那州利文斯頓，有一把4千米長的“激光標尺”。在千里之外的華盛頓州漢福德，有另一把同樣4千米長的“激光標尺”。2015年9月14日美國東部夏令時間凌晨5點51分，位於利文斯頓的標尺發生了抖動，而7毫秒（不到百分之一秒）之後，位於漢福德的標尺也發生了同樣的抖動。這毫無疑問就是引力波留下的痕跡。

在細菌還是地球上最複雜生物的時候，一個遙遠的星系里，兩個怪獸級的黑洞被牢牢鎖定在一個死亡旋渦中。它們最後一次圍繞對方旋轉之後，互相親吻並融合在一起。在那一瞬間，它們釋放出了一場撕裂時空的海嘯。

這一事件的威力是超乎想象的。在氫彈爆炸中，大約1千克的質量會被轉化為其他形式的能量，主要是核爆的熱量。然而，在兩個黑洞的合併中，相當於太陽3倍的質量在瞬間消失，並以引力波的形式重生。這些引力波的能量相當於宇宙中所有恆星發出的總能量的50倍。或者換一種說法，如果黑洞合併發出的是光而不是引力波，那麼這些光的亮度將相當於整個宇宙亮度的50倍。

黑洞合併產生的引力波在宇宙空間中傳播了14億年，並在這個過程中不斷減弱。當它穿過半人馬座α和太陽之間的宇宙空間時已經衰減得極其微弱，所產生的效應也只能讓兩顆恆星之間原本9萬億千米的距離產生0.01毫米的變化。為了探測引力波，漢福德和利文斯頓的科學家們成功地測出了他們4千米長的激光標尺上發生的微小長度變化，這一變化僅相當於一個原子直徑的一億分之一。想想看，1000萬個原子排起來也就只有一句話結尾處的句號那麼寬，由此可見這是一個何等驚人的成就。

位於漢福德和利文斯頓的這兩把4千米長的激光標尺合起來被稱為LIGO，全稱為“激光干涉儀引力波天文台”。LIGO是一個技術傑作，它的每個站點都有兩條4千米長，呈L形排列的臂。所謂的臂其實是直徑1.2米的管道，其內部是比宇宙空間還要純淨的真空，並在其中發射功率高達1000千瓦的激光束。每根管道的末端都有一面40千克重的鏡子，由只有幾根頭髮絲粗細的玻璃纖維懸掛起來，這些鏡子能近乎完美地反射99.999%的光線。2015年9月14日，這些懸掛的鏡子發生了細微的抖動，我們才得以捕捉到那一陣正在經過的引力波。

實際上，LIGO是世界上最靈敏的地震儀，其靈敏度足以探測到在美國另一側發生的風暴，在幾十千米外道路上行駛的汽車，甚至可以辨別出LIGO的工作人員在探測器臂旁邊騎自行車。它可以對數百千米外海浪拍擊海岸的振動做出反應，也可以記錄地球上幾乎所有的明顯地震。而要捕捉到引力波經過時引發的近乎無限小的抖動，就需要將LIGO與上面那些平凡的振動隔離開來。這是一個巨大的挑戰，但是我們已經突破了這一挑戰，LIGO中懸掛的鏡子成功地因14億光年外發生的事件產生了抖動。也正是因為這一成就，2017年，LIGO項目背後的3位科學家——雷納·韋斯(Rainer Weiss)、基普·索恩(Kip Thorne)和巴里·巴里什(Barry Barish)，被授予諾貝爾物理學獎。

2017年夏天，位於意大利比薩附近的歐洲引力波探測器Virgo加入了LIGO計劃。2020年2月，日本的大型低溫引力波望遠鏡KAGRA也加入了LIGO計劃。此外，LIGO印度也預計將在2024年內加入該計劃。到目前為止，人類已經探測到超過90個引力波爆發事件。

這些引力波事件中大多數都是由黑洞合併引發的。黑洞是大質量恆星生命的終點，當這樣一顆恆星作為超新星爆發時，它發出的光通常會超過一個擁有1000億顆恆星的星系，但矛盾的是，此時它的核心反而會向內坍縮（事實上，人們認為超新星爆發正是由這種坍縮引發的）。隨著內核的加速坍縮，恆星的密度越來越大，其引力也會變得越來越強，最終任何東西，甚至是光都無法逃脫如此強大的引力。這就是黑洞誕生的時刻。

LIGO探測到的這些黑洞構成了一個巨大的謎題，因為它們的大小遠遠超過了人們的預期——就第一對黑洞而言，其質量大約是太陽的30倍。問題是，在超新星爆發中，恆星的大部分物質都會被吹散到宇宙空間中，只有很少的物質會最終坍縮形成黑洞。要形成一個質量相當於30個太陽的黑洞，需要一顆質量至少是太陽300倍的恆星。這樣的恆星非常罕見，實際上幾乎可以認為是不存在的。

最近，在2019年5月21日，人們又探測到另一個事件，讓這一問題變得更加嚴峻。在這次事件中，一個有66個太陽質量的黑洞與另一個有85個太陽質量的黑洞合併，形成了一個巨大的有142個太陽質量的黑洞。在此過程中，有9個太陽的質量被轉化成了光，這是我們有史以來觀測到的最強烈的爆發，在這一瞬間所釋放的引力波大約相當於宇宙中所有恆星能量總和的150倍。

上面提到的有66個和85個太陽質量的黑洞，其問題在於，它們實際上處於一個禁忌的範圍，即50～135個太陽質量，人們預計質量在這個範圍內的恆星不會形成黑洞。這是因為如此大質量恆星的內部溫度會高達3億攝氏度，在如此高的溫度下，光子的能量會自發地轉化為電子-正電子對的質能（參見第19章）。電子和正電子向外產生的壓力要小於光子產生的壓力，於是恆星內部便無法產生足夠的向外的推力，不足以對抗向內坍縮的引力，因此它會坍縮得比正常的超新星更加劇烈。這種“生對不穩定性超新星”會發生極其猛烈的爆發，而且爆發後不會留下任何東西，甚至連黑洞的殘餘都沒有。

有一種假說認為，有66個和85個太陽質量的黑洞並不是由一顆超新星形成的，而是由其他更小的黑洞在更早的時候合併而成的，這意味著黑洞可以多次發生合併。在某種意義上，這個通過合併產生的有142個太陽質量的黑洞是非常值得關注的。因為宇宙中包含質量相當於大約5～60個太陽的恆星級黑洞，以及位於星系中心的質量相當於數十億個太陽的超大質量黑洞。如果超大質量黑洞是隨著時間的推移通過不斷的合併而形成的，那麼我們應該能看到中等質量的黑洞，這樣便能填補兩者之間的空白。有142個太陽質量的黑洞就是這種中等質量黑洞（在100～10萬個太陽質量之間）存在的第一個直接證據，它有助於為這一假說提供支持。

2017年8月17日，LIGO和Virgo探測到了一個非常重要的引力波源。它並非來自兩個黑洞的合併，而是來自兩個中子星的合併。中子星的形成是由於發生坍縮的恆星核心質量不夠大，其引力不足以將自身全部壓縮成一個黑洞。中子星被壓縮到只有珠穆朗瑪峰大小，但它的密度極大，一塊方糖大小的中子星，其質量便相當於地球上所有人的總質量。

中子星的合併與黑洞的合併差異很大。兩個黑洞的融合不會發出任何可以被望遠鏡觀測到的光，因為黑洞堪稱宇宙級吸塵器，它們早就將周圍所有可能發光的物質吸收殆盡。但關鍵是，中子星不是單純由空間和時間構成，而是由真正的可以發光的物質構成，而這些光便可以被全球的傳統望遠鏡捕捉到。

2017年8月17日探測到的一次高能光線的強烈爆發具有極為重要的意義。在20世紀60年代，美國曾發射過用來探測γ射線的間諜衛星，希望以此來發現當時蘇聯可能進行的秘密氫彈試驗。令美國驚訝的是，這些衛星幾乎每天都能探測到γ射線的爆發。還好，我們大家都很走運，衛星上的探測器具有定向能力，能確定這些脈衝是來自宇宙空間的（否則這可能會引發一場核戰爭）。20世紀80年代這些資料解密後，天文學家們才得知這種“γ射線暴”的存在，他們猜測這是由中子星合併產生的。現在我們知道他們當時的猜測是正確的。

γ射線會攜帶產生它們的化學元素的指紋。2017年8月17日的那次中子星合併事件，向我們揭示了在恆星相互碰撞所產生的熾熱火球中，發生了劇烈的元素合成核反應，這一過程製造出了相當於地球質量約10倍的金。這提醒我們，發生在宇宙空間中的事情並不像你想象的那樣深奧，而是與你的生活有著千絲萬縷的聯繫。你想看一顆恆星的碎片嗎？舉起手，你血液中的鐵、你骨骼中的鈣、你每次呼吸時充滿肺部的氧氣……這一切都是在地球和太陽誕生之前，在無數恆星的創造和毀滅中形成的，是星塵鑄成了你的軀體。從字面意思來說，你的確是由上天創造的。如果你有一枚黃金婚戒或一件黃金首飾，那麼現在我們終於知道這種貴重金屬的出處了：它來自合併的中子星。近在眼前的日常與遠在天邊的宇宙之間竟然存在如此微妙的聯繫，還有比這更令人震驚的嗎？

LIGO和Virgo的實驗人員並沒有對探測到中子星和黑洞的合併感到驚訝，他們對這些探測結果早有預料，但最令人興奮的莫過於這些發現為人們打開了用引力波觀測宇宙的“一扇窗”。假設你天生失聰，然後某一天在一夜之間你突然能聽到聲音了，現在物理學家們和天文學家們的感觸就是這樣的。過去，他們一直可以用肉眼和望遠鏡“看到”宇宙，現在，他們第一次可以“聽到”它，而引力波就是“空間的聲音”。儘管很多科學發現可能會被誇大，但2015年9月14日引力波的發現，毋庸置疑是自1609年伽利略用望遠鏡觀測宇宙以來，人類在天文學領域取得的最重要的進展。

地球上的引力波探測器會受到地面背景振動的影響，這些振動會混淆真正的引力波源，使探測器無法探測到那些最低頻率的引力波。這種低頻引力波是由位於星系核心的超大質量黑洞合併，以及由百萬個太陽質量級的黑洞吞噬幾十個太陽質量級的黑洞所產生的。而計劃於2037年發射升空的激光干涉空間天線(LISA)應該可以探測到這種低頻引力波。LISA是由三顆衛星構成的一個巨大的等邊三角形，衛星之間的距離在100萬～500萬千米之間，激光通過衛星上搭載的反射鏡在衛星之間來回反射。我們可以將三角形的邊想象成巨大的標尺，當有引力波經過時，一個方向上的空間將會被拉伸，同時在另一個垂直方向上的空間將會被壓縮，因此測量標尺長度的細微變化就是這一計劃的關鍵所在。LISA的科學家們雄心勃勃，他們希望能夠在數百萬千米的尺度上探測到如一個原子的寬度般細微的長度變化。

引力波探測器的出現，讓我們得以見證天文學新時代黎明的到來，宛如一直習慣了寂靜無聲的我們，一下子獲得了豐富多彩的聽覺。但目前，這種感覺還是粗糙和稚嫩的，在進入有聲世界的邊緣，我們彷彿依稀聽到了在遠處轟鳴的雷聲，但尚未能聽到鳥兒鳴叫、嬰兒啼哭，或是琴瑟和鳴般的動聽音色。隨著全球引力波實驗的靈敏度不斷提高，我們終將聆聽到宇宙的動人樂章，到那時，誰知道又會有怎樣的奧秘等待我們去發現呢？