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100年前，当爱因斯坦预测引力波的存在的时候，他不曾想过，有朝一日，人类能够真正观测到应力波：这个效应是如此的微弱，无法察觉。 今天，2016年2月11日，北京时间23:30分，加州理工学院、麻省理工学院、LIGO科学联盟、以及美国国家科学基金会，向全世界宣布: 我们真的探测到引力波! 相关论文，以Observation of Gravitaiton Waves from a Binary Black Hole Merger为题，在Physical Review Letters上发表。论文作者包括清华大学LSC引力波研究团队。 知社学术圈特邀请论文作者之一、LIGO科学联盟核心成员、加州理工学院陈雁北教授，和中国引力波专家、湖北第二师范学院范锡龙博士，撰文介绍引力波探测漫长曲折而又激动人心的经历，和一些鲜为人知的花絮，从300年前的引力，100年前相对论，一直讲到今天的引力波。 爱因斯坦都不敢想象，我们真的探测到引力波！ 陈雁北（右）和范锡龙（左） 1915年，爱因斯坦发表广义相对论论文，革新了自牛顿以来的引力观和时空观，创造性地论证了引力的本质是时空几何在物质影响下的弯曲。1916年，爱因斯坦在广义相对论的框架内，又发表论文论证了引力的作用以波动的形式传播。 因为引力波的效果极其微弱，100年前的爱因斯坦认为引力波在任何能想象的情况下都可以忽略。50年以前，实验物理学家Joe Weber勇敢的开拓了引力波探测的先河。40年前，天文学家Hulse和Taylor发现了脉冲双星、间接证实了引力波的存在。25年前，物理学家Drever, Thorne和Weiss在美国国家科学基金的资助下开始建造激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，LIGO)。 今天，美国的LIGO和欧洲的VIRGO引力波探测器联合发布消息，宣布已经探测到距离地球约13亿光年的两个大约30太阳质量的黑洞碰撞所发出的引力波。 在这个让物理学家50年来望眼欲穿的、持续时间不到一秒钟的事件(GW150914)中，4对在真空中相距4公里的40千克的玻璃镜子的距离，以原子核尺寸千分之一大小的振幅振动了十几次。这样微乎其微的振动，被打在这些镜子上的100千瓦的激光读出，让人类第一次“近距离的接触”了黑洞。黑洞不再是科幻作品中的神奇物体，不再躲在高温磁化的等离子体后面，也不再稳稳的坐在星系中央。这次，我们实实在在的观察到了黑洞附近时间和空间的高度扭曲和脉动。引力波探测的成功，为人类观察宇宙提供了一个崭新的窗口。 引力 引力是无处不在的。 它主导了天，让宇宙、星系、恒星、行星有序地形成和演化；它主导了地，让我们生活的地球分成了各个圈层，让苹果落地，让人类羡慕鸟类飞翔，让日出日落，山川秀丽。可是，引力虽然无处不在，它却低调而又卓尔不群，以至于我们经常会忽略它： 我们生活中的五颜六色、酸甜苦辣，都是由电磁相互作用所产生的。而到目前为止，在微观上，引力还是和其他基本相互作用不能融合！ 引力是人类最早定量认识的相互作用，让人类从无知走向科学。在17世纪，伽里略的斜塔实验就通过运动学证明了引力对众生平等，也就是等效原理-- 不同材质的物体下落加速度一致。1687年，牛顿创建了万有引力定律，并且发明微积分的数学方法对行星的运动进行精确的描述。后人用牛顿的理论发现了海王星和冥王星。虽然水星近日点的进动一直和牛顿预言闹一点非常微小的矛盾，但是貌似引力的终极理论就此完成。 在牛顿发现引力之后的几百年，物理学的进展更多的是在对电和磁的研究，1865年麦克斯韦最终建立了电场和磁场的大一统理论。到了1905年，爱因斯坦提出了狭义相对论，极具洞察力地论证了电磁场的统一性暗含了时间和空间的统一性：物理理论必须把时间和空间放在一起考虑，而时间和空间本身，失去了绝对意义。一个新的概念，“时空”，就这么诞生了。 广义相对论 尽管牛顿的万有引力定律有着几乎完美的实验验证，但是观念上是把时间和空间分开考虑的，并且牛顿引力是瞬时传播的。因此，牛顿引力和狭义相对论理论在概念上是矛盾的。提出了狭义相对论之后，爱因斯坦进一步研究引力和“时空几何”的关系，重新思考伽里略所观察到的物体下落加速度一致这个现象，意识到引力是一个非常特殊的相互作用。如果我们进入一个自由下落的参照系，那么引力会消失！这就是为什么在地球附近的宇航员会感觉到失重：不是因为他们离地球太远，而是因为他们在自由下落！ 如果我们进入自由下落的参照系，引力好像没有了，是不是意味着引力只是参照系变换的产物，而不是真实的物理存在呢？不是的，因为宏观上不同位置上自由下落的参照系是不同的！如果我们考虑一个足够大的空间站，就会发现空间站不同位置上的物体会有相对加速的现象，这就是所谓的潮汐加速度。而这个加速度，是对所有物体都适用的。爱因斯坦把这个归结于时空几何的弯曲。 广义相对论中的时空几何，就是会让本来速度彼此平行的自由下落物体彼此接近或者远离。像牛顿引力中的苹果落地一样，广义相对论中的弯曲几何也可以用苹果解释。在苹果的表面，如果画一些起初平行的曲线，并且以同样的初速度从这些平行曲线出发。那么根据这些平行曲线的位置和走向不同，它们有的会彼此靠近（正曲率），有的会彼此远离（负曲率）。 爱因斯坦联系时空几何和物质分布的方程，可以写成一个非常简洁的张量形式： 这就是非常优美的爱因斯坦方程。在解释为什么广义相对论可以解决引力瞬时传播之前，咱们先看一下其艰深而又奇妙的一面。 |
