《三體》和《星際穿越》中的引力波到底是什么？

2015年8月底榮獲雨果獎（科幻文學界的諾貝爾獎）的科幻小說《三體》中，羅輯從三體人那里為人類"敲詐"來了一大神器——引力波天線，從而暫時拯救了幾乎快要被滅族的人類。電影《星際穿越》中，Cooper甚至通過引力波穿越時間和空間給女兒Murph傳遞了信息，正如有篇著名的影評所說：“能夠穿越星際的，不止引力波，還有愛。”在現實中引力波真實存在嗎？科學家們從來就沒有放棄過尋找引力波的蹤跡。

引力波是愛因斯坦廣義相對論（在希格斯粒子現身后，也是現代物理學）中唯一還沒有被直接證實的預言（存在間接證據）。通俗地講，引力波是宇宙中一種特殊的“時空漣漪”，因此也可以將其想象成在時空中的微小起伏。具備物理學常識的人們都知道萬有引力無處不在，但是為何引力波卻難以探測呢？實在是因為萬有引力實在太微弱了，只有當質量達到如太陽、地球、月亮這樣的數量級，人們才能感覺到其存在，而引力波相比之下則更加微弱。

2014年3月，NASA的美國科學家們通過位于南極（選擇這里是因為可以避免來自手機通訊、電視廣播以及其他日常電子產品的電波干擾）的BICEP2（Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization，宇宙銀河系外偏振背景圖像）望遠鏡觀測到了引力波的相關信號，這是人類首次探測在宇宙誕生之初的暴漲期中證明引力波存在的直接證據。起初，此發現被譽為是本世紀最具突破性的發現，幾乎被“認定”能夠獲得下一個諾貝爾獎，但隨后NASA的這一發現很快被扇臉，科學家們此后發現觀測結果顯著只不過是因為有其他效應未排除，證實了這只是一場空歡喜，因為這些信號僅僅是宇宙中的星際塵埃而已（論文題目A Joint Analysis of BICEP2/Keck Array and Planck Data，詳見參考文獻）。

那么問題來了，人類面對的困難究竟有多大？引力波到底來自于哪里？有可能最終發現引力波么？引力波真的能夠為宇宙大爆炸理論提供確鑿的證據嗎？

1. 面對的挫折和困難

外界似乎一直對引力波的研究了解并不多，認為其剛剛起步（因為這方面的研究是一個典型的投入產出不成正比、風險還極大的科研項目，科研人員情商也很高好嗎？所以他們會低調、低調再低調）。其實早在1968年，美國物理學家Joseph Weber便聲稱自己使用由一些巨大鋁氣瓶組成的神秘探測器檢測到了引力波，但隨后這被證明是錯誤的。實際上科學界對引力波的相關研究已經開始了好幾十年，可惜一直沒有成功。

引力波是在巨大物體靠近時所產生的擾動或漣漪。隨著引力波的傳播，它將拉伸或擠壓物體，但這些形變僅僅有亞原子量級（比原子更小的粒子、比原子更微觀的物質層次）。因此，研究人員一直試圖通過觀察附近物體是如何被引力波影響來驗證其存在，其中的難度可想而知。

最近，科學家們更傾向于使用激光干涉儀來探尋引力波。激光干涉儀將一束激光分為兩束垂直方向，并分別沿著一個很長的真空通道發射，通過事先放置的探測器，探測沿著這兩條光路反射回到初始點的光波。如果光波在沿路收到引力波的干擾，重構的光束將與初始光束完全不同。

與激光干涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）類似，地基干涉儀的“激光臂”一般有4km長。而未來的天基干涉儀，諸如Deci-hertz干涉引力波天文臺（Deci-hertz Interferometer Gravitational Wave Observatory，DECIGO）和進化激光干涉空間天線（Evolved Laser Interferometer Space Antenna，eLISA）中，所使用的“激光臂”所完全張開“臂展”可達百萬公里長。在未來十年內，利用天基干涉儀探測引力波的相關實驗將逐步開展，并且eLISA“探路者”的發射任務也迫在眉睫。

2. 引力波來自于哪里

引力波的主要來源是無時無刻都在進行的天體物理過程（天體運動、撞擊等），所有高速運動且高加速度的物體以及大質量天體運動、碰撞都會產生引力波并且在連續的時間里形成波，也就是前文提到的“時空漣漪”。而我們平時接觸的物體質量太小，產生的引力波太弱，所以宇宙中大質量天體的運動、碰撞等行為都會產生極強的引力波。其中最顯著的是成雙成對的白矮星或黑洞的旋轉，這種雙星系統通過發射引力波而逐漸損失其能量。1974年著名的Hulse-Taylor脈沖星的發現驗證了此結果，此脈沖星的存在間接證明了引力波的存在，因其能量按著廣義相對論所預測的速率衰減（盡管引力波本身仍未觀察到）。

只是研究人員一直在不斷尋找更難以捉摸的、自宇宙誕生后不久產生的引力波，即原初（primordial，宇宙學中一般譯為“原初”，特指“宇宙學暴漲”，即宇宙極早期經歷的急劇加速膨脹過程這一時期）引力波，，因為這是138億年前創造宇宙的大爆炸中產生的痕跡。

3. BICEP2能否觀測到引力波

BICEP2的目標之一是嘗試探測到原初引力波在宇宙微波背景輻射（CMB）中的印記。宇宙微波背景輻射（CMB）是宇宙發出的第一縷光，在大爆炸之后（那時候整個宇宙還是一片漆黑）宇宙越來越大，溫度迅速降低，直到溫度足夠低（大爆炸大約38萬年以后）宇宙的基本粒子才發出了第一道光（人類這才有可能看到宇宙38萬歲時的“寶寶”照），而這時距離第一顆星星誕生還有很長一段時間。

當光波沿著某一特定方向振動時，科學家們稱其為偏振。如果引力波出現在宇宙微波背景輻射誕生時，將帶來一個獨特的漩渦狀，出現光偏振中的卷曲，即稱之為“B模”偏振。因此，“B模”偏振是引力波的間接證據（這一點很重要）。類似BICEP2的實驗并不能直接地觀測出引力波，而只能觀測引力波留下的“足跡”。其實，科學家們甚至連識別這些“足跡”都非常困難。“B模”偏振通常情況下隱藏在大量粉塵放射的強大信號下，或者被混淆了多種不同類型偏振模式的引力透鏡效應所掩蓋。如何去除這些以及其他污染物的影響是一項非常復雜的任務，并且常常需要依賴于其他實驗的結果。如果在宇宙微波背景輻射上看到了“B模”偏振分布，毫無疑問就是原初引力波（即在暴漲期間產生的引力波）的證據。

這一難題有望被下一代BICEP實驗——諸如Atacama宇宙望遠鏡（Atacama Cosmology Telescope，ACT）以及其計劃中的繼任者AdvACT解決。科學家們利用這些望遠鏡將能測量普朗克衛星測量范圍之外的宇宙微波背景輻射，并將從前一代BICEP實驗中汲取到大量對粉塵和其他污染物建模的寶貴經驗，這讓“B模”偏振的檢測在未來十年內有望變成現實。有些學者推測，若減去已知天體物理過程中所檢測到的引力波，空間干涉儀也許能夠探測到原初引力波。

4. 引力波無法證明宇宙大爆炸

前文提到過引力波可以形成于天體撞擊事件中，但引力波的最初起源并非來自于大爆炸（the Big Bang）而是宇宙暴漲（大爆炸后宇宙所經歷的一段短暫的指數級膨脹過程），即原初引力波，而宇宙微波背景輻射（宇宙38萬歲時的“寶寶”照）卻記錄了原初引力波的蹤跡。宇宙暴漲現在被認為是早期宇宙的主要模式。雖然隨著關于宇宙暴漲的許多關鍵性預測被逐一證實，原初引力波的存在仍然是未解之謎。

前文中BICEP2聲稱所發現的引力波是觀測到的宇宙加速膨脹所帶來的意外收獲。這符合廣義相對論的預測結果——預言一個加速運動的物體能發出引力波（這與加速電荷將發射電磁波類似）。所以說，如果能直接觀測到引力波，人們將知道宇宙暴漲發生時的能量量級，從而使人們更接近最終了解宇宙大爆炸的真相。但遺憾的是，引力波并不能作為宇宙大爆炸存在的證據。

5. 探測引力波需要多個實驗

根據大量的統計結果，探測引力波無疑需要不止一個實驗。引力波像光波一樣具有不同的頻率，目前的兩種探測技術（B-模和激光干涉儀）都在以至少相差15個數量級的頻率搜尋引力波。

根據最簡單的暴漲理論，原初引力波的背景在一個特定的頻譜中。換句話說，不同的頻率對應不同的幅值。因此，如果科學家們能探測到兩種或兩種以上的不同頻率的引力波，這將作為宇宙暴漲的有力證據——即使最強硬的懷疑論者也無法反駁。

這一切都值得嗎？

使用第一代空間干涉儀發現原始引力波目前來看基本是不可能了，但是究竟未來的干涉儀是否能發現目前未知的引力波信號還不得而知。然而如果科學家們能直接檢測到天體引力波，將為很多學者打開一扇驗證愛因斯坦廣義相對論是否正確的大門。此外，引力波方面的研究還將為人們對星星、銀河系和黑洞的認知提供前所未有的新視角。

相關文獻：

1. BICEP2 I: Detection Of B-mode Polarization at Degree Angular Scales | Phys. Rev. Lett. 112, 241101 (2014) | DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.241101 | http://arxiv.org/abs/1403.3985

2. A Joint Analysis of BICEP2/Keck Array and Planck Data | Phys. Rev. Lett. 114, 101301 (2015) | DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.101301 | http://arxiv.org/abs/1502.00612

3. Focus: A Fleeting Detection of Gravitational Waves. http://physics.aps.org/story/v16/st19

4. J. Weber, “Gravitational-Wave-Detector Events,” Phys. Rev. Lett. 20, 1307 (1968)

5. Gravitational Waves: Ripples in the fabric of space-time. http://space.mit.edu/LIGO/more.html

6. The Japanese space gravitational wave antenna - DECIGO | Journal of Physics: Conference Series, Volume 122, conference 1 | http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/122/1/012006/meta;jsessionid=FDBA35DE8AC0B9D01FCE8759208C71DD.c1

7. https://www.elisascience.org/articles/lisa-pathfinder/lpf-mission

8. Lisa Pathfinder: Gravity quest set to go into orbit. http://www.bbc.com/news/science-environment-34152577

9. The Hulse-Taylor Pulsar - Evidence of Gravitational Waves. http://www.astro.cardiff.ac.uk/research/gravity/tutorial/?page=3thehulsetaylor

10. COSMIC MICROWAVE BACKGROUND RADIATION. http://www.bbc.co.uk/science/space/universe/sights/cosmic_microwave_background_radiation

11. Clear and Measurable Signature of Modified Gravity in the Galaxy Velocity Field | Wojciech A. Hellwing, et al. | Physical Review Letters | PRL 112, 221102 (2014). | DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.221102

（譯審/編輯：Charles Yu）