《三体》和《星际穿越》中的引力波到底是什么？

2015年8月底荣获雨果奖（科幻文学界的诺贝尔奖）的科幻小说《三体》中，罗辑从三体人那里为人类"敲诈"来了一大神器——引力波天线，从而暂时拯救了几乎快要被灭族的人类。电影《星际穿越》中，Cooper甚至通过引力波穿越时间和空间给女儿Murph传递了信息，正如有篇著名的影评所说：“能够穿越星际的，不止引力波，还有爱。”在现实中引力波真实存在吗？科学家们从来就没有放弃过寻找引力波的踪迹。

引力波是爱因斯坦广义相对论（在希格斯粒子现身后，也是现代物理学）中唯一还没有被直接证实的预言（存在间接证据）。通俗地讲，引力波是宇宙中一种特殊的“时空涟漪”，因此也可以将其想象成在时空中的微小起伏。具备物理学常识的人们都知道万有引力无处不在，但是为何引力波却难以探测呢？实在是因为万有引力实在太微弱了，只有当质量达到如太阳、地球、月亮这样的数量级，人们才能感觉到其存在，而引力波相比之下则更加微弱。

2014年3月，NASA的美国科学家们通过位于南极（选择这里是因为可以避免来自手机通讯、电视广播以及其他日常电子产品的电波干扰）的BICEP2（Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization，宇宙银河系外偏振背景图像）望远镜观测到了引力波的相关信号，这是人类首次探测在宇宙诞生之初的暴涨期中证明引力波存在的直接证据。起初，此发现被誉为是本世纪最具突破性的发现，几乎被“认定”能够获得下一个诺贝尔奖，但随后NASA的这一发现很快被扇脸，科学家们此后发现观测结果显著只不过是因为有其他效应未排除，证实了这只是一场空欢喜，因为这些信号仅仅是宇宙中的星际尘埃而已（论文题目A Joint Analysis of BICEP2/Keck Array and Planck Data，详见参考文献）。

那么问题来了，人类面对的困难究竟有多大？引力波到底来自于哪里？有可能最终发现引力波么？引力波真的能够为宇宙大爆炸理论提供确凿的证据吗？

1. 面对的挫折和困难

外界似乎一直对引力波的研究了解并不多，认为其刚刚起步（因为这方面的研究是一个典型的投入产出不成正比、风险还极大的科研项目，科研人员情商也很高好吗？所以他们会低调、低调再低调）。其实早在1968年，美国物理学家Joseph Weber便声称自己使用由一些巨大铝气瓶组成的神秘探测器检测到了引力波，但随后这被证明是错误的。实际上科学界对引力波的相关研究已经开始了好几十年，可惜一直没有成功。

引力波是在巨大物体靠近时所产生的扰动或涟漪。随着引力波的传播，它将拉伸或挤压物体，但这些形变仅仅有亚原子量级（比原子更小的粒子、比原子更微观的物质层次）。因此，研究人员一直试图通过观察附近物体是如何被引力波影响来验证其存在，其中的难度可想而知。

最近，科学家们更倾向于使用激光干涉仪来探寻引力波。激光干涉仪将一束激光分为两束垂直方向，并分别沿着一个很长的真空通道发射，通过事先放置的探测器，探测沿着这两条光路反射回到初始点的光波。如果光波在沿路收到引力波的干扰，重构的光束将与初始光束完全不同。

与激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）类似，地基干涉仪的“激光臂”一般有4km长。而未来的天基干涉仪，诸如Deci-hertz干涉引力波天文台（Deci-hertz Interferometer Gravitational Wave Observatory，DECIGO）和进化激光干涉空间天线（Evolved Laser Interferometer Space Antenna，eLISA）中，所使用的“激光臂”所完全张开“臂展”可达百万公里长。在未来十年内，利用天基干涉仪探测引力波的相关实验将逐步开展，并且eLISA“探路者”的发射任务也迫在眉睫。

2. 引力波来自于哪里

引力波的主要来源是无时无刻都在进行的天体物理过程（天体运动、撞击等），所有高速运动且高加速度的物体以及大质量天体运动、碰撞都会产生引力波并且在连续的时间里形成波，也就是前文提到的“时空涟漪”。而我们平时接触的物体质量太小，产生的引力波太弱，所以宇宙中大质量天体的运动、碰撞等行为都会产生极强的引力波。其中最显著的是成双成对的白矮星或黑洞的旋转，这种双星系统通过发射引力波而逐渐损失其能量。1974年著名的Hulse-Taylor脉冲星的发现验证了此结果，此脉冲星的存在间接证明了引力波的存在，因其能量按着广义相对论所预测的速率衰减（尽管引力波本身仍未观察到）。

只是研究人员一直在不断寻找更难以捉摸的、自宇宙诞生后不久产生的引力波，即原初（primordial，宇宙学中一般译为“原初”，特指“宇宙学暴涨”，即宇宙极早期经历的急剧加速膨胀过程这一时期）引力波，，因为这是138亿年前创造宇宙的大爆炸中产生的痕迹。

3. BICEP2能否观测到引力波

BICEP2的目标之一是尝试探测到原初引力波在宇宙微波背景辐射（CMB）中的印记。宇宙微波背景辐射（CMB）是宇宙发出的第一缕光，在大爆炸之后（那时候整个宇宙还是一片漆黑）宇宙越来越大，温度迅速降低，直到温度足够低（大爆炸大约38万年以后）宇宙的基本粒子才发出了第一道光（人类这才有可能看到宇宙38万岁时的“宝宝”照），而这时距离第一颗星星诞生还有很长一段时间。

当光波沿着某一特定方向振动时，科学家们称其为偏振。如果引力波出现在宇宙微波背景辐射诞生时，将带来一个独特的漩涡状，出现光偏振中的卷曲，即称之为“B模”偏振。因此，“B模”偏振是引力波的间接证据（这一点很重要）。类似BICEP2的实验并不能直接地观测出引力波，而只能观测引力波留下的“足迹”。其实，科学家们甚至连识别这些“足迹”都非常困难。“B模”偏振通常情况下隐藏在大量粉尘放射的强大信号下，或者被混淆了多种不同类型偏振模式的引力透镜效应所掩盖。如何去除这些以及其他污染物的影响是一项非常复杂的任务，并且常常需要依赖于其他实验的结果。如果在宇宙微波背景辐射上看到了“B模”偏振分布，毫无疑问就是原初引力波（即在暴涨期间产生的引力波）的证据。

这一难题有望被下一代BICEP实验——诸如Atacama宇宙望远镜（Atacama Cosmology Telescope，ACT）以及其计划中的继任者AdvACT解决。科学家们利用这些望远镜将能测量普朗克卫星测量范围之外的宇宙微波背景辐射，并将从前一代BICEP实验中汲取到大量对粉尘和其他污染物建模的宝贵经验，这让“B模”偏振的检测在未来十年内有望变成现实。有些学者推测，若减去已知天体物理过程中所检测到的引力波，空间干涉仪也许能够探测到原初引力波。

4. 引力波无法证明宇宙大爆炸

前文提到过引力波可以形成于天体撞击事件中，但引力波的最初起源并非来自于大爆炸（the Big Bang）而是宇宙暴涨（大爆炸后宇宙所经历的一段短暂的指数级膨胀过程），即原初引力波，而宇宙微波背景辐射（宇宙38万岁时的“宝宝”照）却记录了原初引力波的踪迹。宇宙暴涨现在被认为是早期宇宙的主要模式。虽然随着关于宇宙暴涨的许多关键性预测被逐一证实，原初引力波的存在仍然是未解之谜。

前文中BICEP2声称所发现的引力波是观测到的宇宙加速膨胀所带来的意外收获。这符合广义相对论的预测结果——预言一个加速运动的物体能发出引力波（这与加速电荷将发射电磁波类似）。所以说，如果能直接观测到引力波，人们将知道宇宙暴涨发生时的能量量级，从而使人们更接近最终了解宇宙大爆炸的真相。但遗憾的是，引力波并不能作为宇宙大爆炸存在的证据。

5. 探测引力波需要多个实验

根据大量的统计结果，探测引力波无疑需要不止一个实验。引力波像光波一样具有不同的频率，目前的两种探测技术（B-模和激光干涉仪）都在以至少相差15个数量级的频率搜寻引力波。

根据最简单的暴涨理论，原初引力波的背景在一个特定的频谱中。换句话说，不同的频率对应不同的幅值。因此，如果科学家们能探测到两种或两种以上的不同频率的引力波，这将作为宇宙暴涨的有力证据——即使最强硬的怀疑论者也无法反驳。

这一切都值得吗？

使用第一代空间干涉仪发现原始引力波目前来看基本是不可能了，但是究竟未来的干涉仪是否能发现目前未知的引力波信号还不得而知。然而如果科学家们能直接检测到天体引力波，将为很多学者打开一扇验证爱因斯坦广义相对论是否正确的大门。此外，引力波方面的研究还将为人们对星星、银河系和黑洞的认知提供前所未有的新视角。

相关文献：

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

（译审/编辑：Charles Yu）