作者：王爽 中山大學物理與天文學院研究員
編輯：婉珺
昨天，物理和天文學界又發生瞭一件大事：美國的 LIGO 和意大利的 Virgo 合作組聯合宣佈，它們於 2017 年 8 月 14 日發現瞭一個新的引力波事件。
相信大傢對 LIGO 並不陌生，這個名字總伴隨著引力波一起出現，那麼 Virgo 又是什麼呢？
和 LIGO 一樣，Virgo 也是一個大型的激光幹涉儀引力波探測器。Virgo 項目最早由意大利和法國的科學傢創立，後來荷蘭、波蘭和匈牙利的科學傢也先後加入其中。2003 年 6 月，Virgo 於意大利小城卡希納建成。它的主體部分是兩條長達 3 公裡並且互相垂直的幹涉臂，裡面全部被抽成真空。2007 年，Virgo 和 LIGO 達成瞭合作協議，開始共同處理探測器數據並共同發佈探測結果。2011 年以後，科學傢對 Virgo 進行瞭技術升級，把它變成瞭與 " 高等 LIGO" 具有相同探測能力的 " 高等 Virgo"。升級後的 Virgo 於 2017 年開始正式運行。2017 年 8 月 14 日，它與 LIGO 一起發現瞭這個新的引力波事件。
這個被稱為 "GW170814" 的引力波事件是一次雙黑洞合並：在與地球相距 18 億光年的地方，兩個質量分別為 31 倍和 25 倍太陽質量的黑洞合並成瞭一個 53 倍太陽質量的黑洞。
這次的發現有一個特別之處：以前的引力波事件都是由 LIGO 的兩個探測器發現的，而這次的事件則是由 LIGO 和 Virgo 的三個探測器同時探測到的。
目前發現的所有引力波事件。不同顏色的圖形內部的區域，對應著不同的引力波事件在天球面上的方位。由於 GW170814 是由三個探測器同時探測到的，所以它的定位精度就比以前的引力波事件要準很多。圖片來源：LIGO/Virgo/Caltech/MIT/Leo Singer｜Ligo.org
以前，學術界有不少人懷疑 LIGO 是否能在近期內獲得諾貝爾獎。在 LIGO 第一次發現引力波的時候，我就和我的一個同事打瞭一個賭：我認為 LIGO 會在 5 年內獲得諾貝爾物理學獎，而他認為不會。我同事反對的理由是，那次的引力波事件僅僅被 LIGO 的兩個探測器探測到；而要想獲得諾獎，還需要第三個探測器的獨立檢驗。有這種看法的人，在學術界為數不少。所以這次的發現，為 LIGO 掃平瞭通往諾貝爾獎的最後一個障礙。
為什麼有三個探測器同時探測到引力波會這麼重要呢？這得從引力波先驅、美國物理學傢約瑟夫 · 韋伯（Joseph Weber）講起。
韋伯的傳奇人生
身穿美國海軍學院制服約瑟夫 · 韋伯（1919-2000），攝於 1940 年。圖片來源：Wikipedia
韋伯的人生經歷相當傳奇。他是軍人出身，一直在美國海軍服役。當年日軍轟炸珍珠港的時候，他恰好是一艘美國軍艦的軍官，眼睜睜地看著自己的軍艦被日軍擊沉。不過後來在太平洋海戰中，韋伯實現瞭他的復仇；他率領的一艘軍艦，擊沉瞭日本人的一艘航母。
1943 年，韋伯開始轉行做科研，為美國海軍局設計電子對抗系統。1948 年，韋伯以少校的身份退役，然後被聘為馬裡蘭大學的一名工程學教授。
韋伯剛加入馬裡蘭大學的時候其實承受瞭很大的壓力。在所有的工程系教授中，隻有他一人沒拿過博士畢業。所以在 1948 至 1951 年期間，韋伯過得非常忙碌，白天要在馬裡蘭大學給學生上課，晚上又要去美國天主教大學攻讀自己的博士學位。1951 年，韋伯順利地拿到瞭他的博士學位。順便說一句，在攻讀博士學位期間，他對激光科學做出瞭很大的貢獻。
1955 年，韋伯突然對廣義相對論產生瞭極大的興趣。利用自己的學術休假年，韋伯跑到瞭普林斯頓高等研究院，向著名物理學傢約翰 · 惠勒學習廣義相對論。正是在這段時期，韋伯突然認識到，引力波是有可能被探測到的。
引力波特別難測的原因
早在 1916 年，愛因斯坦就在廣義相對論的框架下預言瞭引力波的存在。引力波是時空的漣漪。如果有一列引力波傳來，它會使與其傳播方向垂直的空間發生周期性的形變：橫向收縮，縱向就拉伸；橫向拉伸，縱向就收縮。由於空間本身在形變，置身於其中的物體自然也會跟著形變。也就是說，當引力波傳來的時候，小到一把尺子，大到整個地球，都會在與引力波垂直的方向上發生周期性的伸縮。
引力波以 " 波 " 的形式傳播時空結構的變化。當引力波經過時，空間結構會發生形變（收縮或擴張），並按照 " 縱向擴張橫向收縮 "-" 復原 "-" 橫向擴張縱向收縮 "-" 復原 " 的順序不斷變化。圖為在三維情境下，引力波經過時預計會造成這樣一幅景象。值得註意的是，這些變化的尺度是非常非常非常小的。圖片來源：Markus Pössel of Einstein Online
不過，你完全不必擔心引力波會把我們扯壞。這是因為一列引力波總是按照一個固定的比例來拉伸物體，而這個比例又特別特別小。到底小到什麼地步呢？最多不超過 10 萬億億分之一。打個比方。如果有把尺子長達 1000 公裡，相當於從北京到上海的直線距離，那引力波大概能使它變動 1000 萬億分之一米，相當於一個原子核的大小。如果有把尺子長達 10 萬光年，相當於我們銀河系的直徑，那引力波大概能使它變動 1 米。
這就是引力波特別難測的原因：它的信號實在是太微弱瞭。事實上，在 20 世紀前半葉，根本沒有任何科學傢相信引力波是可以被探測到的。但上世紀 50 年代，韋伯想出瞭一個探測引力波的辦法。為此，他還從馬裡蘭大學的工程系轉到瞭物理系。
韋伯棒及其探測引力波的原理
韋伯用來探測引力波的實驗裝置名叫 " 韋伯棒 "。
韋伯和他的 " 韋伯棒 "。圖片來源：physics.umd.edu
韋伯棒是一個直徑 1 米、長度 2 米、質量 1 噸的圓柱形鋁棒。如果有引力波傳來，鋁棒的兩端會交錯地收縮和拉伸。前面說過，正常情況下鋁棒的伸縮比例特別小，根本就無法測量。但韋伯發現，在一種特殊情況下，韋伯棒的伸縮比例能非常顯著地增大。這種特殊情況就是共振。
我們知道，外力能迫使物體發生振動，比如你用力推一個秋千，就可以使它晃動起來；如果外力的頻率恰好與振動物體本身的頻率相等，就會使這個振動的幅度大幅增加。這種現象就是共振。
舉個例子，在 19 世紀初，一隊法國士兵邁著整齊劃一的步伐，走上瞭法國昂熱市的一座大橋。但他們走到一半的時候，大橋卻突然斷裂，使許多官兵和市民落入水中喪生。後來發現，造成這次慘劇的罪魁禍首就是共振。這群士兵齊步走的頻率，恰好與大橋本身的頻率相等，這導致大橋的振動幅度急劇增加，最終造成瞭大橋的斷裂。
韋伯認為，可以利用共振現象來探測引力波。韋伯棒的本身頻率是 1660 赫茲。如果遠處傳來的引力波的頻率也是 1660 赫茲，就可以使韋伯棒發生共振，從而讓韋伯棒的伸縮幅度大幅增加，進而被安裝在韋伯棒周圍的探測器檢測到。
為瞭提升韋伯棒的探測能力，韋伯想瞭不少辦法，比如他用細細的鐵絲將韋伯棒懸掛起來，從而減小瞭振動時韋伯棒的能量損失。另外，為瞭避免地震等意外因素的幹擾，韋伯在兩個相距上千公裡的地方放置瞭兩個完全相同的韋伯棒——隻有當兩個探測器同時探測到一模一樣的引力波信號之時，才說明韋伯棒探測到瞭引力波。這些想法，後來也都被 LIGO 采納瞭。
韋伯的失敗和他給人們的啟迪
1969 年，韋伯在著名的物理學期刊《物理評論快報》上發表瞭一篇文章，宣稱他放置在不同地方的兩個韋伯棒同時探測到瞭引力波。這篇文章立刻在全球范圍內引起瞭巨大的轟動。世界各國的科學傢都陸續建造瞭類似韋伯棒的實驗裝置，來探測引力波。
但詭異的事情發生瞭。在接下來的數年中，除瞭韋伯，再也沒人能探測到引力波。越來越多的人都開始質疑韋伯的實驗結果，甚至把他當成一個欺世盜名的騙子。
1974 年，在麻省理工學院舉行瞭一次相對論會議上，反對韋伯的呼聲像火山一樣徹底爆發。多位學者站出來質疑韋伯的引力波實驗，說他根本沒測到任何引力波，隻不過測到瞭一堆莫名其妙的噪音。有人甚至嘲笑韋伯，說他測到的其實是他自己的心跳。韋伯竭力反擊，雙方吵得不可開交，幾乎快動手打起來。最後，還是會議主席借助他的拐杖的威力，才防止瞭沖突的進一步升級。
吸取瞭韋伯事件的教訓，後來人們制訂瞭一個不成文的規定：隻有當三個放在不同地方的 " 韋伯棒 " 同時探測到引力波的時候，才能說明引力波真的存在。
雖然後來有人從數學上證明 " 韋伯棒 " 的探測能力不足，根本不可能探測到引力波，但 " 三探測器同時確認才有效 " 的原則，卻已經深入人心。
現在，意大利 Virgo 的第三個探測器確認瞭 LIGO 確實發現瞭引力波，" 三個探測器 " 的要求已經達到。看來我和同事打的賭，也將以我的勝利而告終。
現在我們已經進入瞭引力波天文學的時代。毫無疑問，好戲才剛剛開始。
