从爱因斯坦到LIGO：引力波探索有多曲折？

美国华盛顿州当地时间2016年2月11日，美国研究人员11日宣布，他们去年9月首次利用LIGO探测到引力波，证实了爱因斯坦100年前的预测。视觉中国地图

自从LIGO正式宣布它已经直接探测到引力波以来，已经过去了将近一个月，引力波并没有减弱。

3月8日，复旦大学物理系特聘教授、美国犹他大学物理系终身特聘教授吴永世、清华大学信息技术研究所研究员、清华大学LIGO工作组组长曹莅临复旦大学通识教育讲座，畅谈100年来重力波探测的艰难历程。

清华大学信息技术研究所研究员、清华大学LIGO工作组组长曹解释了探测引力波的原理。

引力波存在吗？爱因斯坦非常纠结

伽利略的比萨斜塔实验、牛顿的苹果和万有引力...物理学和现代科学可以说是从重力研究开始的。牛顿认为万有引力是一种超越距离的作用，引力的传播是瞬时的，不需要时间。结果，爱因斯坦对这一说法提出了质疑。

吴永世说，爱因斯坦在1905年提出了他的狭义相对论，认为任何相互作用力的传播速度都不应超过光速，这与牛顿“重力瞬间传播”的说法大相径庭。爱因斯坦想证明牛顿是错的，所以他在后来的广义相对论中提出了“引力场=时空曲率”的新观点。

当地时间2016年2月11日，耶路撒冷希伯来大学爱因斯坦档案馆馆长罗尼·格罗斯展示了爱因斯坦关于引力波的原始文件。视觉中国地图

1916年，爱因斯坦提出引力场方程后的第二年，他提出了著名的引力波预测:引力场的变化以波的形式以光速传播，引力波是时空曲率的波纹。他还预测引力波会在横截面方向拉伸时空(物体)，而在垂直方向挤压时空(物体)。

然而，引力波争论的历史极其曲折。首先，在理论上，爱因斯坦自己不止一次地重复过是否有引力波。他甚至两次宣布引力波不存在，然后一次又一次地修正他的预测。

例如，1936年，爱因斯坦向学术期刊《物理评论》提交了一篇题为“引力波存在吗”的论文。当时，他关于引力波的结论又“重复”了一遍。这篇文章的结论是引力波不存在。有趣的是，《物理评论》的编辑泰特归还了这位伟大科学家的手稿，并附上了一位匿名评论者的10页评论意见。

爱因斯坦没有接受它。他回答《物理评论》说，“它不能被送到这里，然后我会换到另一个地方。更有趣的是，当这篇文章最终发表在《富兰克林研究所杂志》上时，结论完全不同，变成了“引力波的存在”。

事实证明，爱因斯坦的同事、宇宙学家霍华德·罗伯逊及时指出了爱因斯坦在工作中的错误，并帮助解决了这个问题，这让爱因斯坦幸运地没有否认他20年前对引力波的预测。后来，人们还发现最初的匿名评论者是罗伯逊。

除了“引力波是否存在”、“引力波是否携带能量”和“黑洞是否存在于物理世界”等问题之外，长期以来一直存在争议。“这些争端在20世纪50年代末和60年代初逐渐得到解决。可以说，引力波预测后的最初50年是在争论中度过的。”吴永世这么说。

LIGO(激光干涉引力波天文台)。视觉中国信息地图

3.95亿美元的长期赠款

然而，即使爱因斯坦最终在理论上证实了引力波的存在，许多相信引力波存在的科学家几十年来也找不到任何证据。科学家进行了计算，发现引力波压缩和拉伸的量非常小，这是“原子直径的分数阶”换句话说，很难找到。

"在实验证明方面，引力波探测的历史也非常曲折."吴永世说，1968年，美国马里兰大学的教授约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)声称，利用铝柱共振法可以探测到引力波。这一声明激励了许多同事关注这项测试。然而，其他人甚至不能用相同或更灵敏的探测器接收引力波信号。结果，韦伯的实验结果被所有人拒绝。

到20世纪70年代末，美国物理学家约瑟夫·胡顿·泰勒和拉塞尔·艾伦·赫尔斯联合观测了脉冲星双星系统PSR B1913+16，并首次发现引力波的间接定量证据。他们俩都获得了1993年的诺贝尔物理学奖。

技术人员正在激光干涉引力波天文台内工作。视觉中国信息地图

然而，人们仍然不能直接观察引力波。事实上，美国麻省理工学院的雷纳·韦斯，后来的LIGO，曾想过用激光干涉测量法来探测引力波。1984年，国家科学基金会成立了由雷纳·韦斯、基普·索恩和罗奈尔特·德雷弗三位科学家组成的指导小组，对LIGO进行可行性研究。根据韦斯后来的记忆，当时许多天文学家非常反对这个项目，因为他们认为这是历史上最大的金钱浪费。

1994年，LIGO终于获得了国家自然科学基金的3.95亿美元的长期资助，开始建设LIGO站。到2002年，LIGO开始寻找引力波。

曹于2004年加入。他说:“为了达到更高的精度，(LIGO)探测器使用高能量和稳定的激光，镜子使用世界上最好的镜子，以及精密的测试材料和最稳定的隔振系统。”

目前，LIGO的两个引力波探测器位于路易斯安那州的利文斯顿和华盛顿州的汉福德。观察者向两根4公里长的真空管发射激光。当激光反射回来并相互叠加时，将产生符号图案“干涉图案”。当引力波经过时，它们会使观察者的双臂压缩和伸展。变形会使波形发生可测量的变化，并使波形发生偏移。2015年9月14日，LIGO终于探测到了这样的引力波信号。

这次探测到的引力波数据，通过计算机，画出了当时黑洞合并的效果图。视觉中国地图

经过仔细研究，证实这是13亿年前两个黑洞碰撞合并产生的引力波。碰撞前两个黑洞的质量分别为36和29个太阳质量，合并后为62个太阳质量。三个太阳质量损失在千分之一秒内被释放成引力波。

引力波的存在是爱因斯坦在广义相对论中对时空理论的预测，引力波的直接探测是验证广义相对论的最后也是最重要的“失踪之谜”，从而开创了引力波天文学和宇宙学的新时代吴永世叹了口气，“因此，我们不能说引力波的直接探测是人类物理学、科学和技术中具有历史意义的里程碑。这不算太多。”(原标题:从爱因斯坦到LIGO，引力波探索有多曲折？)