只聽樓響不見下樓：為啥探測引力波如此困難？

文章來源：蝌蚪五譜

愛因斯坦廣義相對論中有一個重要預言，如果大質量天體發生碰撞、超新星爆發等極端宇宙事件會生強大的引力波。這是一種時空漣漪，就像波一樣傳遞開來，數十年內科學家一直在尋找引力波，但都沒有發現。2015年9月，美國亞利桑那州立大學有了新的發現，科學家勞倫斯·克勞斯指出激光干涉引力波天文台發現了引力波，如果這個發現屬實，那麼將是一次轟動性的科學事件。激光干涉引力波天文台位於美國，從1999年建成開始，就一直在尋找引力波，近年來完成了新一輪的升級改造，目的就是發現引力波。

對於激光干涉引力波天文台的發現，也有科學家質疑這個發現成果，以至於有傳言指出這個引力波信號可能是虛假信號。由於引力波非常微弱，探測引力波需要較高的精度，因此一個微小的誤差都會造成假信號的出現，讓引力波信號失真。激光干涉引力波天文台的研究人員岡薩雷斯認為現在給出數據還太早，發布引力波被發現的消息可能會引起誤解。事實上這項工作仍然在驗證之中，如果結果確定是假信號，豈不是最后變成了謊報軍情？目前美國激光干涉引力波天文台的引力波發現所透露的消息不多，官方發言人稱待結果確定后會公佈。

引力波是什麼？

激光干涉引力波天文台的發現再次讓引力波成為公焦點，引力波的理論提出很早，但我們至今沒有發現。引力波的基礎理論來自廣義相對論中的引力輻射理論，相對論中預言了引力波會生於強引力場的天體事件。有趣的是宇宙中的強引力場天體非常之多，比如超大質量黑洞合併，脈衝星自轉、超新星爆發等都是引力波的強有力來源。引力波與電磁波天文學又有不同的地方，比如引力波無法通過電磁輻射直接觀測，引力波與宇宙中物質的相互作用是非常微弱的，可以傳播至很遠的宇宙空間。

引力波的探測目前仍然存在困難，科學家認為引力波盡管有間接的證據顯示其存在，但直接證據缺乏。在過去十多年內，科學家通過毫秒級脈衝星信號的篩查來發現引力波，但是也沒有結果。對此科學家也提出了幾種可能性的解釋，比如引力波或位於高頻段上，中子星合併生的引力波需要利用靈敏度更高的探測器進行觀測。這也是為什麼激光干涉引力波天文台每隔一段時間要升級的原因，如果在這個頻段沒有新的發現，就要繼續升級。

有哪些裝置可探測引力波？

目前比較著名的要數激光干涉引力波天文台，1999年建成的時候，造價接近4億美元，在美國路易斯安那州列文斯頓和華盛頓州的哈福德之間有兩個探測器，呈現L型排列，利用邁克耳遜干涉儀原理進行測量引力波。L型測量臂很長，達到4公里，兩個測量臂垂直排列，兩端各有反射鏡面。科學家認為激光在測量反射臂上來回反射，如果乾涉條紋發生了變化，就明探測到了引力波事件。2005年之后，激光干涉引力波天文台再次進行了升級，使用更高功率的激光器和避震措施，降低誤差。

在義大利的比薩附近也有類似的裝置，一個雙臂探測器長度達到3公里，是歐洲測量引力波的關鍵設備。德國漢諾威也有引力波測量裝置，兩個測量臂長度為600米。歐洲前不久還發射了LISA探路者航天器，定點在拉格朗日點L1上，距離地球大約150萬公里。德國達姆施塔特是LISA探路者航天器的控制中心，探測器主要任務目的就是尋找宇宙中的引力波，內部帶有2公斤的金鉑合金立方體，數量為兩個，為垂直放置，如果兩個立方體位置發生變化，就證明探測到了引力波的存在。不過這個任務僅僅是歐洲空間局引力波空間探測計劃的一部分，側重於演示和驗證。

發現引力波意味什麼？

引力波的發現意義重大，從科學意義上看，引力波可以直接與宇宙大爆炸連接。廣義相對論中預言的引力波也可以生於宇宙大爆炸中，這就是大爆炸之初的引力波在137億年后的今天仍然可以探測到。一旦我們發現了宇宙大爆炸時期的引力波，就可以揭開宇宙的各種謎團，甚至了解宇宙的開端和運行機制。因此也有這樣的法，如果引力波的發現被確定，那麼几乎可以肯定會入選諾貝爾獎。1993年的諾貝爾獎就是授予了間接發現引力波存在的科學家，當時兩位科學家泰勒和赫爾斯對脈衝星雙星系統PSR1913+16進行研究，發現其系統內有兩顆中子星，它們快速圍繞對方公轉，最終發現了引力波間接證據。

2014年3月，BICEP2望遠鏡科學家稱發現了宇宙大爆炸時期生的原初引力波，這個發現瞬間轟動了世界，科學家在宇宙微波背景輻射中探測到B模偏振，認為這是原初引力波的證據。這個發現不僅意味我們探測到引力波，而且還發現大爆炸時期的引力波，更令人驚訝的是根據這個理論我們甚至可以推出平行宇宙的存在。不過，很快BICEP2望遠鏡的發現成果被否定，科學家驗證后發現是銀河系的塵埃對觀測形成干擾，這個發現是錯誤。

由此也可以看出，引力波對於現代天文學而言是多麼重要，一旦發現引力波直接證據，我們就能夠通過這個途徑觀測並研究它，進而揭開宇宙深層奧秘。(作者：謝頓)