第4章 引力场的涟漪——引力波
法拉第（见图4-1）认识到，遍布于整个空间的电磁场是电磁力的载体。这个观点改变了我们对物理世界的理解。后来，麦克斯韦用一组数学方程，阐明了法拉第的观点，建立起电磁统一理论。这个理论告诉我们，光是电磁波，可见光也只是电磁波谱的一部分，除了可见光，还有其他频率的电磁波。赫兹通过实验证实了无线电波的存在，随之而来的是收音机的发明，以及电视、雷达、手机及许多其他应用的涌现。带电粒子（如电子）如果受到振动，就会发出电磁波。
图4-1 印着法拉第头像的面值20英镑的纪念纸币
引力场
爱因斯坦在构思他的新引力理论——广义相对论时，打算把场的概念应用到引力上。他成功地做到了这一点。谁想到，这个场竟然就是时空本身。
在广义相对论里，时空就好比是电磁场，物质的质量是电荷。广义相对论预言，大质量物体在猛烈旋转时会产生引力波，由于引力可以用时空扭曲来描述，那么引力波就是时空的涟漪（见图4-2）。
图4-2 双黑洞系统发出引力波的示意图
探测电磁波不是什么难事。每当我们睁开眼，或者打开电视、登录无线网，甚至用微波炉热一杯茶的时候，我们就在接收电磁波。但是，探测引力波可没这么容易，因为引力可比电磁力微弱多了。
在我们生活的环境里，引力十分重要，这让我们误以为引力很强。但实际上，只有像行星那样大的一团物质，才能产生明显的引力效果。即便如此，一块小小的磁铁就能与整个地球的引力抗衡，轻而易举地把小铁钉吸起来。
引力是如此微弱，以至于摇晃大质量物体，也只能产生极微小的引力涟漪。只有宇宙中最暴烈的事件（比如超新星爆发、中子星碰撞、黑洞并合）产生的引力波，才有可能被我们探测到。而且，探测仪器必须非常灵敏：能够测量相距几千米的两点之间距离的变化，这个变化小于质子的千分之一或原子的十亿分之一。虽然这听上去难以置信，但科学家已经造出了这样的仪器。
探测时空涟漪
在广义相对论问世100年后，引力波研究终于取得了第一次成功。美国科学家潜心钻研数十载，建成了激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）。LIGO由彼此相隔3000千米的两套装置组成，一个位于华盛顿的汉福德，另一个在路易斯安那州的利文斯顿（见图4-3），两套设备必须完全分隔开，才能从本地的干扰信号中辨别出真正的引力波信号。
图4-3 美国路易斯安那州利文斯顿的LIGO装置
两套装置皆呈L形，各有两个4千米长、彼此垂直的臂，臂内保持超高真空状态。科学家把一束激光导入分束器，由分束器把激光一分为二，分别送入两条臂中。在臂的两端各有一面镜子，激光在两面镜子之间来回反射400次（走过1600千米）。最后，再把两条臂中的激光合二为一。装置经过特别设计，让一束光的波峰正对另一束光的波谷，使两束激光在合并后彼此抵消，如此一来，就不会有光传到光电探测器上。当有引力波经过时，双臂的臂长稍有改变，导致两束激光在臂中走过的距离发生变化，光的相位也随之偏移（幅度远小于1个波长）。结果，两束激光在合并时不再完全抵消，这时，就会有一部分光传到光电探测器上（见图4-4）。LIGO异常灵敏，因为只有如此，它才有可能探测到引力波。
图4-4 LIGO引力波探测器示意图。左：两束激光完全反相，在合成一束后完全抵消。这时，不会有光传到光电探测器上。右：臂两端的镜子稍稍改变位置，导致两束激光走过的路程发生变化。如此一来，两束激光不再完全反相，在合并后会有一部分光传到光电探测器上
深空里的暴烈事件
LIGO的升级版——高新激光干涉引力天文台（Advanced LIGO），在2015年9月18日投入运行。然而，就在正式投用的前4天，奇妙的事情发生了。汉福德和利文斯顿两地的装置在几毫秒[1]内，先后探测到一个相同的明确信号（见图4-5）。
图4-5 LIGO探测到有史以来第一个引力波信号
科学家已经研究过这种暴烈事件，并用计算机建模。所以，他们能从LIGO探测到的引力波中，辨认出事件的特征。根据计算机模型，科学家发现双黑洞并合系统能够持续不断地发出引力波。整个系统也因此不断消耗能量，致使两个黑洞越转越近，最终合并成一个新黑洞。在黑洞向内绕转的最后时刻，系统发出的引力波明显增强。新形成的黑洞一开始时极不稳定，在发出最后一阵引力波（铃宕）后，便很快安定下来。
科学家从这第一个简短信号里，提取出大量的信息。他们知道了这个黑洞并合事件发生在距离我们13亿光年（注：光年是天文学常用的长度单位，1光年＝9.46×1015米。——译者注）的地方。LIGO探测到的引力波正是两个黑洞在并合前一刻以及铃宕阶段产生的。据估算，两个黑洞的质量分别是太阳质量的29倍和36倍，并合形成的新黑洞有62倍太阳质量，而且在飞快地自转。真正令人吃惊的是，在这场并合中，约有3倍太阳质量的物质转化成能量，以引力波的形式释放出来。如此巨大的能量释放只在时空中掀起了极小的涟漪，这个时空涟漪向外扩散，传播到13亿光年外的地球。引力波虽然只是微小的时空涟漪，却携带着巨大的能量。
这是人类有史以来第一次探测到双黑洞系统，也是迄今为止最为直接的一次黑洞观测。这次观测还证实了引力波如预期的那样，以光速传播。
2017年的诺贝尔物理学奖颁给了美国物理学家基普·索恩（Kip Thorne）、巴里·巴里什（Barry Barish）和雷纳·韦斯（Rainer Weiss），以表彰他们在LIGO研发中做出的决定性贡献。引力波天文学的时代到来了。
[1] 毫秒是时间单位，1毫秒＝0.001秒。——译者注