似曾相見(jiàn)不相識(shí)，相識(shí)尚需更相知。

相知生情苦相覓，覓得芳蹤情更癡。

甘本祓老師

◆ 相知

按說(shuō)，人們對(duì)“引力”二字并不陌生，早在17世紀(jì)，物理祖師爺牛頓就已講過(guò)，那就是連小學(xué)生都知道的萬(wàn)有引力定律。且不論是否因?yàn)樘O(píng)果掉下來(lái)砸了牛頓的頭，才促使他思考，但人們卻早已形成共識(shí)：人之所以能站在地球上、而沒(méi)有被拋上天，就是地心引力的功勞?？墒?，過(guò)了300多年，在“引力”之后，又加上一個(gè)“波”字，為什么人們就如此驚艷呢？

? “引力之父”牛頓 ?

這事，歸根到底都是因?yàn)閻?ài)因斯坦的“異想天開(kāi)”所致。想當(dāng)初，在瑞士首都伯爾尼的國(guó)家專(zhuān)利局，擔(dān)任三級(jí)技術(shù)員的毛頭小伙（26歲）愛(ài)因斯坦，敢于挑戰(zhàn)權(quán)威、大膽創(chuàng)新，于1905年發(fā)表了狹義相對(duì)論，推翻了絕對(duì)空間、絕對(duì)時(shí)間、質(zhì)量與能量無(wú)關(guān)以及以太說(shuō)等經(jīng)典物理學(xué)的一系列舊觀念，建立了現(xiàn)代物理學(xué)的一系列新觀念。但卻留了一個(gè)引力問(wèn)題懸而未決。于是，他又“十年磨一劍”，于1915年發(fā)表了廣義相對(duì)論，推出了引力場(chǎng)方程，建立了引力的新觀念。這個(gè)新觀念的核心，就是把引力用時(shí)空彎曲來(lái)解釋。例如，地球圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)，是因?yàn)樘?yáng)的巨大質(zhì)量，使太陽(yáng)周?chē)臅r(shí)空發(fā)生了彎曲。

? “引力波之父” 愛(ài)因斯坦

1916年6月，愛(ài)因斯坦在《普魯士科學(xué)院會(huì)刊》（物理數(shù)學(xué)卷）上發(fā)表文章，預(yù)言了引力波的存在。1918年2月，愛(ài)因斯坦又在該刊發(fā)表文章，進(jìn)一步闡述了他的引力波觀點(diǎn)。那么，什么是引力波呢？既然廣義相對(duì)論認(rèn)為：引力是時(shí)空彎曲。那么，引力波，當(dāng)然就是彎曲時(shí)空的波動(dòng)。由于這種波動(dòng)相對(duì)較弱，因此科學(xué)家把它稱(chēng)為“時(shí)空漣漪”，英文為“ripples of space-time”。

可是，時(shí)空又怎么會(huì)起漣漪呢？廣義相對(duì)論認(rèn)為，在非球?qū)ΨQ(chēng)的物質(zhì)分布情況下，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，或物質(zhì)體系的質(zhì)量分布變化時(shí)，特別是大質(zhì)量天體作加速運(yùn)動(dòng)或致密雙星系統(tǒng)在相互旋近與合并的過(guò)程中時(shí)，都會(huì)明顯地?cái)_動(dòng)彎曲的時(shí)空，激起時(shí)空漣漪，亦即產(chǎn)生引力波。

如此說(shuō)來(lái)，引力波真是無(wú)處不在，連我們自己舉手投足之際，都會(huì)有引力波產(chǎn)生，只不過(guò)太微不足道罷了。只有宇宙中的那些龐然大物激發(fā)出的引力波，才能驚天動(dòng)地。即使如此，宇宙中一直有各種引力波向我們傳來(lái)，但古往今來(lái)，我們卻對(duì)之“視而不見(jiàn)”“充耳不聞”……

為什么？因?yàn)楦緵](méi)人知道還有這么一回事！這點(diǎn)和電磁波的歷史倒是頗為相似。想當(dāng)初，沒(méi)人知道有電磁波，全靠有個(gè)名叫麥克斯韋的英國(guó)人，歸納前人電磁學(xué)的研究成果，加上自己的創(chuàng)新，推演出了一組方程，后人稱(chēng)之為“麥克斯韋方程組”，他從理論上預(yù)言了電磁波，而且認(rèn)定光波也是電磁波。

引力波的遭遇也與之類(lèi)似。幸虧出了個(gè)愛(ài)因斯坦，用他推演出的引力場(chǎng)方程，算出了這個(gè)無(wú)人知曉的引力波！按照他的說(shuō)法，引力波雖然也算是一種機(jī)械波，但她們卻不像聲波。聲波要靠介質(zhì)（例如空氣或水）傳播，而且速度不快。引力波則可在真空中傳播，而且速度等于光速，這點(diǎn)倒是很像光波，但是她又與可見(jiàn)光波不同，她“看”不見(jiàn)，只能靠“聽(tīng)”。而且引力波與光波以及所有電磁波不同的是，她在傳播過(guò)程中不會(huì)與其他物質(zhì)發(fā)生作用，因而可以不受影響地傳播。一句話(huà)總結(jié)，她是一種既不同于一般機(jī)械波，又不同于電磁波的嶄新的波！

◆ 苦戀

千百年來(lái)，人類(lèi)曾是靠肉眼仰望星空、幻夢(mèng)宇宙。后來(lái)，發(fā)明了可見(jiàn)光望遠(yuǎn)鏡、建立了光學(xué)天文臺(tái)。再后來(lái)，又發(fā)明了射電望遠(yuǎn)鏡、發(fā)展了航天技術(shù)，從而可以在地面和天空建設(shè)臺(tái)站，更全面地觀測(cè)和研究宇宙。但歸根結(jié)底，這一切手段都是靠電磁波（包括光波）來(lái)實(shí)現(xiàn)。如今，突然別有洞天！

如果真如愛(ài)因斯坦所預(yù)言，宇宙中還有引力波，這不僅證實(shí)了廣義相對(duì)論的正確，使人類(lèi)能建立起更為科學(xué)的宇宙觀，而且在電磁波之外，又開(kāi)辟了一個(gè)觀測(cè)宇宙的新途徑。例如像黑洞、暗物質(zhì)、暗能量等（有人風(fēng)趣地稱(chēng)之為宇宙的“黑暗面”）這樣一些人們還知之甚少、而電磁波又使不上勁的探測(cè)，就可以靠引力波來(lái)實(shí)現(xiàn)了。這將大大提高人類(lèi)研究宇宙的能力，一個(gè)新的學(xué)科：引力波天文學(xué)亦將應(yīng)運(yùn)而生！這是多么誘人的前景??！于是，許多人從那時(shí)開(kāi)始，就癡迷地去尋覓那令人心儀的引力波“美人”。但是，說(shuō)者容易做者難，真是一場(chǎng)苦戀……

任何新事物，起初總是相信的人少，懷疑的人多。這中間，連愛(ài)因斯坦自己也曾有過(guò)動(dòng)搖。緊接著，第二次世界大戰(zhàn)打起來(lái)了，無(wú)論是相信的人還是懷疑的人，也都顧不上引力波了。與之相反，對(duì)電磁波的研究和應(yīng)用卻突飛猛進(jìn)。通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對(duì)抗等技術(shù)在戰(zhàn)爭(zhēng)的迫切需求下，得到極大的發(fā)展，一直到今天把人類(lèi)送進(jìn)了信息社會(huì)。

而對(duì)于引力波，仍是有人在苦戀。早期，引力波的鐵桿粉絲中，最直得稱(chēng)贊的有兩個(gè)人：一個(gè)是美國(guó)馬里蘭大學(xué)的教授韋伯（Joseph Weber），另一個(gè)則是中國(guó)中山大學(xué)的副教授陳嘉言。

在美國(guó)，韋伯被譽(yù)為“引力波檢測(cè)第一人”，他設(shè)計(jì)了一種用聲學(xué)共振的原理來(lái)直接探測(cè)引力波的設(shè)備，那是一個(gè)鋁質(zhì)圓柱。韋伯認(rèn)為，當(dāng)引力波的頻率與該圓柱的本征頻率一致時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振，從而測(cè)得引力波，故名“共振棒”（也稱(chēng)為“韋伯棒”）。為了避免其他振動(dòng)對(duì)探測(cè)儀的影響，也為了測(cè)得引力波的方向，他將共振棒懸掛起來(lái)，并在相距1000千米的兩處各懸掛一個(gè)，當(dāng)兩個(gè)同時(shí)檢測(cè)到時(shí)才算數(shù)。他曾在1969年宣布，用它探測(cè)到了引力波，引起一陣轟動(dòng)，卻無(wú)法重復(fù)和核實(shí)。而在中國(guó)，陳嘉言被譽(yù)為“引力物理研究的鋪路人”。從1973年起，以他為代表的中山大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院的一些學(xué)者，就開(kāi)始研究和建造自己的共振棒探測(cè)儀。陳嘉言還為中國(guó)的引力波探測(cè)事業(yè)獻(xiàn)出了生命，終年46歲。

韋伯和他的“韋伯棒”?

眼看半個(gè)多世紀(jì)過(guò)去了，兩位癡情的先驅(qū)都已辭世，仍然未覓得引力波的芳蹤。是放棄還是繼續(xù)？考驗(yàn)著人們的勇氣和毅力。人們決心沿著兩條路繼續(xù)去探尋。一條是尋覓間接證明引力波存在的例證;另一條是研究新的、更精密有效的直接探測(cè)儀器。

◆ 良辰

1993年2月10日，有兩個(gè)美國(guó)人進(jìn)入華麗的斯德哥爾摩音樂(lè)廳，在樂(lè)聲和掌聲中，從瑞典國(guó)王手中，接過(guò)了該年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他們是誰(shuí)？又因何獲此殊榮？

? 赫爾斯（左）和泰勒慶祝獲獎(jiǎng)

他們，就是普林斯頓大學(xué)等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的天體物理學(xué)家赫爾斯（Russell A. Hulse）和他的導(dǎo)師泰勒（Joseph H. Taylor Jr.）。赫爾斯于1974年，用設(shè)于波多黎各的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)在天鷹座天域有周期性脈沖信號(hào)輻射，脈沖周期為59毫秒。經(jīng)他們研究確定，這是顆脈沖雙星（Binary Pulsar），這也是人類(lèi)第一次發(fā)現(xiàn)的脈沖雙星，故被命名為“赫爾斯-泰勒脈沖雙星”。其主星和伴星均為中子星，質(zhì)量分別為1.44倍和1.39倍太陽(yáng)質(zhì)量，兩星距離最近時(shí)為1.1倍太陽(yáng)直徑，最遠(yuǎn)時(shí)為4.8倍太陽(yáng)直徑。它們圍繞共同的質(zhì)心轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)周期約為7.75小時(shí)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期跟蹤觀測(cè)，他們還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：其軌道周期呈變小趨勢(shì)，每年減少76.5微秒。

這是為什么呢？經(jīng)反復(fù)研究，他們認(rèn)為，這種質(zhì)量密度很大的雙星系統(tǒng)，在旋近的過(guò)程中，會(huì)以引力波輻射形式損失能量，從而造成兩星逐漸接近，軌道周期也會(huì)發(fā)生衰減。于是，他們用廣義相對(duì)論進(jìn)行核算，得出的結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合。這也就間接證明了引力波的存在。

哈！這可是人類(lèi)歷史上第一次尋覓到了引力波“美女”的芳蹤！于是，諾貝爾評(píng)委會(huì)的專(zhuān)家們決心要好好獎(jiǎng)勵(lì)一下這兩位能人。這，就是1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

間接證明已獲獎(jiǎng)，那直接證明怎么辦？有兩位引力波鐵桿粉絲，決心要在地球上直接探測(cè)到引力波，這兩個(gè)人，就是麻省理工學(xué)院教授韋斯（Rainer Weiss）和加州理工學(xué)院教授索恩（Kip Thorne）。正是韋斯提出了用類(lèi)似米切爾森干涉儀的光學(xué)方法，提議建設(shè)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）來(lái)直接探測(cè)引力波。當(dāng)激光被分束器分成兩束后，會(huì)沿干涉儀相互垂直而等長(zhǎng)的兩臂傳播，再經(jīng)兩臂末端懸掛的反射鏡反射回來(lái)，再次相遇，從而產(chǎn)生干涉，形成干涉條紋。這時(shí)候，當(dāng)兩邊光程相同時(shí)，會(huì)呈亮紋;若光程差半個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，則會(huì)互相抵消呈暗紋狀。正因如此，當(dāng)引力波來(lái)時(shí)，兩臂的鏡子受震不同，這時(shí)，激光束在兩臂中走的光程就會(huì)發(fā)生差異，即干涉條紋受干擾而變動(dòng)，科學(xué)家就是利用這個(gè)激光干涉原理，從而探測(cè)到了引力波。

兩位LIGO創(chuàng)始人韋斯（左）和索恩

當(dāng)然，為了提高精度，科學(xué)家們會(huì)讓激光束在臂中多次反射，這樣，使光子的有效光程可達(dá)臂長(zhǎng)的幾百倍。例如，后來(lái)按此原理建成的激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO），兩臂長(zhǎng)度雖然只有4千米，卻可以達(dá)到10的負(fù)21次方的測(cè)距精度。形象說(shuō)來(lái)，它甚至可以測(cè)得一個(gè)質(zhì)子直徑千分之一大小的微小距離，或者說(shuō)，可以“聽(tīng)”到千億分之一英尺（1英尺≈0.3048米）的微小振動(dòng)。所以，它是當(dāng)今世界上最精密的光學(xué)儀器哦！

而加州理工學(xué)院的索恩，更是個(gè)引力波迷。他不僅是當(dāng)今世界研究廣義相對(duì)論和宇宙學(xué)的領(lǐng)軍人物之一，而且酷愛(ài)創(chuàng)作。他的名著《黑洞與時(shí)間彎曲：愛(ài)因斯坦的幽靈》已培養(yǎng)了不少粉絲，而他參與拍攝的好萊塢科幻大片《星際穿越》，又迷倒不少觀眾。

正是韋斯和索恩牽頭，使麻省理工與加州理工兩大名校的科學(xué)家們聯(lián)手完善了用激光干涉原理探測(cè)引力波的方案，解決了一系列引力波探測(cè)的理論和實(shí)際問(wèn)題，促成了LIGO的誕生。在建設(shè)時(shí)，他們又得到了加州理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家德萊弗（Ronald Drever）的鼎力相助，他是提高探測(cè)儀性能的關(guān)鍵人物。有人預(yù)測(cè)，如果也為這項(xiàng)成果發(fā)一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)的話(huà)，他們3人應(yīng)當(dāng)是最佳人選。也正是他們，感動(dòng)了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)國(guó)會(huì)，才能有大量的資金投入到這項(xiàng)“不知何日君才來(lái)”的苦戀之中！

功夫不負(fù)有心人，愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論發(fā)表100周年紀(jì)念剛過(guò)，他們終于美夢(mèng)成真！2016年2月11日，韋斯和索恩在新聞發(fā)布會(huì)上相擁歡慶，全世界都在為之喝彩！

愛(ài)因斯坦與引力波的烏龍事TIPS

雖然愛(ài)因斯坦在百年之前就曾預(yù)言宇宙中存在引力波，但是他也認(rèn)為，從宇宙中傳到地球的引力波很微弱，因而對(duì)是否能探測(cè)到引力波沒(méi)有信心。1936年6月，他與同在美國(guó)普林斯頓高等研究院的年輕學(xué)者羅森（Nathan Rosen）合寫(xiě)了一篇文章，投給美國(guó)物理學(xué)會(huì)的會(huì)刊《物理評(píng)論》，標(biāo)題為《引力波存在嗎？》，而結(jié)論竟然是不存在！后來(lái)，經(jīng)過(guò)他人提醒和自己的進(jìn)一步思考，他們才于次年修正了這一誤解。

一對(duì)姐妹花，可愛(ài)又奇葩。練成真功夫，服務(wù)你我他。

大姐電磁波，麥爺引薦來(lái)。小妹引力波，愛(ài)伯介紹她。

神秘大宇宙，傳訊靠她倆。大姐亮風(fēng)采，妹說(shuō)悄悄話(huà)。

（甘老師告訴小e：在寫(xiě)完本文時(shí)，他問(wèn)了自己一個(gè)問(wèn)題：“引力波事件究竟有什么啟示？”他思索良久，似有所悟。正是一般創(chuàng)新突破一點(diǎn)，基礎(chǔ)創(chuàng)新引領(lǐng)一片，癡迷情懷支撐創(chuàng)新，創(chuàng)新之路絕不平坦。）。

小e提示

在甘老師新著《硅谷啟示錄2：怦然心動(dòng)》（科學(xué)普及出版社2015年7月第1版）中，關(guān)于愛(ài)因斯坦相對(duì)論和引力波探測(cè)等內(nèi)容還有更加生動(dòng)詳實(shí)的介紹，感興趣的讀者可以繼續(xù)挖掘哦！