引力波是基础科学前沿，长期没有肯定答案。当前的研究进展如何？国内似乎渺无信息。本文比较系统地介绍了近期的理论进展和观察结果，特别介绍了美国政府最近拨款2.1亿美元着手建造世界上最大的干涉仪（公里尺度）来直接检测引力波，探索引力本质和宇宙新领域。

——译注

地球和星星之间的太空不是一无所有，电子和原子核之间也并非真空。那里处处存在着比钢还硬、比橡胶还富有弹性的介体。

差不多75年前，爱因斯坦认识到太空的形状来自它所包容的质量。太阳的质量太小，不足以使太空有很大的扭曲。然而黑洞却是最大的太空弯曲机。一个小小的球形黑洞，体积比太阳小10⁹倍，它所包含的质量竟是太阳的3倍多。如果两个黑洞相撞，它们就会使太空弯曲、扭绞、缠结，理论家们刚刚开始设想它的具体情况。这些灾变碰撞给爱因斯坦最玄奥的观念——广义相对论提供最好的检验。

物理学家经过几十年的研究（包括许多局部试验）之后，即将建造一种非同寻常的光学仪器，使他们终于可以观察这样的太空弯曲事件了。这种仪器与别的光学仪器不同，它对电磁辐射——光、无线电波、γ射线以及波谱的任何部分——不敏感。它是专门用来检测引力波，即太空形状的微小变化的。

天文学家已经观察到引力波的效应，但至今没有制造出足够灵敏的仪器可以用来直接检测到引力波。根据爱因斯坦的理论，引力波从它的源向外传播像水的波纹在池塘里通过一样。当波向太空扩展时，它们减弱了。但是与电磁辐射不同，引力波不会被星体和宇宙碎片所阻挡，如果它到达地球，也不会受地球的阻挡。

因此，用一台灵敏的检测器，观察正在使太空和物质压缩和胀大一个微小量的引力波，应该是可能的。举例说，如果一个遥远星系的两个黑洞碰撞发出引力波，通过地球上的一台1公里长的检测器，就会使检测器的长度作小于1/18¹⁸米的改变，这比原子核的直径还小1000倍。

由R. E. 伏格特领导的一组加利福尼亚理工学院（Caltech）物理学家希望捕捉到第一列引力波（以至更多）。在今后5年里，他们计划在美国遥遥相对的两边建立两座实验室，用来安装两台世界上最大的干涉仪。每台装置产生强激光束沿长达4公里的路线来回反射，然后在某一点处相互干涉。如果足够强的引力波通过装置，激光所必须通过的那段距离会产生微小的变化。路程的改变就可使光束相干。

这项工程命名为引力波激光干涉仪观察台（LIGO）。首宗建造经费已在1991年11月经布什总统批准，预计总耗资2.11亿美元6如果LIGO组如愿以偿，现在的预测又可靠，那么干涉仪就具有足够高的灵敏度，能观察到从一对相撞的中子星发出的引力波。这样，到本10年之末，这项工程将首次提供引力波存在的直接证据。不仅如此，最为重要的是，它将使研究工作者以根本不同于过去使用的任何观察方法去窥探宇宙。

由于检测的是引力辑而不是电磁辐射，研究工作者就既能检测到亮物质，如爆炸星体，又能检测到暗物质，如黑洞。如果他们有好运，他们会发现未知的天体，甚至正在发射的引力波。“我深信，”伏格特声称，“LIGO将举世闻名，这并不是由于中子星双星、黑洞以及其他事物，而是由于将会发现我们现在还都想不到的东西。”

也有许多科学家并没有LIGO组那样的信心，对于这项工程的必要性争论热烈。尽管科学家能够计算从两个绕轨道运行的黑洞产生的引力波强度，但并不知道这样的系统有多少。中子星双星是强度和数量都能作出可靠预测的唯一引力波源，然而还没有谁能确保LIGO会灵敏地观察到它们。

是爱因斯坦的迷误？

再说，直到不久前还没有人确信引力波的存在。即使是爱因斯坦，也曾有过怀疑。1916年，他在相对论中提出：引力波，甚至引力，是太空弯曲的表现形式。在此后的几十年里，理论工作者热烈争论：引力波真有其事还仅仅是爱因斯坦理论中的迷误？争论促使爱丁顿（他的观察证实了广义相对论）作出评论：“引力波……以思维的速率传播！”

50年代，理论工作者终于取得-致意见：引力波确实存在。1957年，马里兰大学物理学家J · 威倍尔动手建造第一台引力波检测器。它的关键部件是一根圆柱形棒，有几吨重，用钢索悬挂在真空室里，使之尽可能与外界的振动隔绝。威倍尔研究了当时知道的所有引力辐射源，认为大多数源发射出来的引力波频率大约是每秒1000周。他据此设计出棒的大小、形状和构造，_以便能像音叉那样对如此频率的波产生谐振。一列引力波通过时使棒膨胀随着又缩小，一个变换器就会把微小的运动转换成可以测量的信号。波的强度与棒的应变（长度变化除以度）相关。威倍尔在造出几台样机之后，选择了一台两米长的棒检测器，可以测量1/10¹⁶的应变，约等于2/10¹⁶米。

在过去35年里，威倍尔报告了几次事件，被称为“引力波的证据”。最著名的结果是1969年所公布的证明引力波是从我们的星系中心辐射出来的。从此世界上的许多实验室都建造了奥妙的棒检测器，为他的结果取证。但是没有披露过引力波有意义的统计数据。

然而，威倍尔首创性的工作激励着人们去寻找引力波。在威倍尔刚刚发表他的结果之后，R-韦斯立刻在麻省理工学院（M. I. T.）讲授这一专题课。从那以后，韦斯的执着观念是应用光束去检测引力波。（别的几个人也有相同的考虑，但各不相知。）

第一台应用光束的引力波检测器是1971年由R. L. 弗华德和他的同事们在休格斯研究实验室建造的。它以干涉仪为基础——干涉仪是90年前美国物理学家迈克尔逊为推翻宇宙以太存在的假设而发明的。

现代形式的迈克尔逊装置包括一台激光器，一台光束分离器，两面镜子，一台光检测器，排列成交叉十字形。激光器放在十字西头；检测器置于南端，激光分离器放在中间。激光束首先通过光束分离器，分离器将光的一半改向北端的镜子，另一半导向东端的镜子。光径两面镜子反射沿原先的路径到达分离器，光束在这里重新结合后折向检测器。

检测器测量的结果取决于光束分离器和镜子之间的距离。在特定的距离下，当由分离器发出的向着检测器的光波中，从北面来的光波波峰同来自东面的光波波峰同步时，光波相互加强，重新结合后落在检测器上的光强度增强了。但是，如果把光束分离器与镜子间的距离改变光波波长的一半，分离器发出的从北面返回的光波波峰同从东面返回的光波波谷同时，两者互相抵消，因此没有光到达检测器。

为了检测引力波，两面镜子要装得能使光波互相抵消。但是当引力波通过时，干涉仪部件之间的距离将有一个小小的改变。因此仍有光射到检测器上，它就记录下强度的改变。改变量与引力波的强度成正比。

大多数实验工作者相信干涉仪比棒检测器对引力波更为灵敏。因为干涉仪以光速反应，而棒检测器则相当于声速反应。

一台天文检测器

尽管第一台干涉仪比威倍尔棒灵敏100倍，但还是没有获得引力波的证据。具有讽刺意味的是，至今对引力波存在的唯一有说服力的观察结果并不是来自引力波检测器，而是来自射电望远镜。1974年，天文学家J. H. 泰劳和R. A. 哈尔斯在马萨诸塞州大学发现了一颗“中子”星，命名为PSR1913+16，从此提供了引力波强有力的定量证据。像别的中子星一样，PSR1913+16的质量比太阳稍大一些，被压缩成直径小于10公里的球。在那种密度下，物质的存在像中子一样惬意，因而得名。

PSR1913+16是中子星的一种，叫脉冲星。它有很强的磁场，随星体旋转。磁场使星体邻近的荷电粒子加速，产生发自磁场两极的辐射束。辐射束在星体周围自旋，像灯塔一样照亮天空。泰劳和哈尔斯发现PSR1913+16以每秒16.9次的速率旋转，其规律性足与原子钟匹敌。

尤其不平常的是PSR1913+16循一伴星轨道每8小时转一次。它的最高速度达到每秒400，000米，只比光速慢750倍。另外，脉冲星和它的伴星间的距离比地球和太阳间的距离小100倍。

脉冲星本质上是一只精确的钟，沿着轨道急速地在严重弯曲的太空区域运行。弯曲是由伴星的巨大质量造成的。这些都是观察相对论效应的理想条件。泰劳根据爱因斯坦相对论解释说，轨道应当“随系统从引力波形式损耗能量而逐渐递减。”

从1974年起，泰劳和他的同事们已经观察到轨道周期的衰减。他们的测量结果和理论预测一致，不确定度小于0.5%。“显然，我们现已掌握数据，给了我们这种微小效应的证据。这是爱因斯坦认为永远也观察不到的东西。”泰劳说。

可惜的是，PSR1913+16发出的引力波太小，远非威倍尔棒、现有的检测器，甚至筹建中的LIGO所能检测得到的。然而，PSR1913+16的发现鼓励着物理学家去继续探寻宇宙中能够产生足够强的引力辐射让地而上的仪器检测到它的物体。

K. S. 桑纳是先导的理论家之一，又是LIGO的主要顾问。70年代和80年代，他和来自世界各地的理论家论证，宇宙应当包含有许多种不同的引力波源。但是他们在做定量预测时未能成功。在各釉情况下他们至少遗漏掉一个重要信息，致使无论是预测源的强度还是预测有多少源存在都成为不可能。

举例说，10年前，理论家相信从地球上能够检测到引力波的最合理的源是超新星，即一颗大而重的星体的爆炸。他们估计宇宙中每年有数以百万计的超新星产生。这个数字使他们相信在比较靠得近的星系中会有许多星体爆炸。

但是光凭这一点还不能保证它们的可检测性。批评的人指出，天体物理学家并不知道超新星的动力学细节，不知道超新星产生的引力波强度取决于星体的塌陷是不是对称的。按照理论，强大的引力波源要求一个巨大的、紧密的物体，它必须是非球形的，像一个橄榄球，圆柱或杠铃。最为重要的是，源必须以一种突出其非球形成分的方式急速运动。例如，橄榄球形的星体绕它长长的轴急速旋转时并不产生引力波；同样的星体，如果从一头转向另一头，就会是一个强发射体。

你追我赶的浪潮

卡德夫大学的B. S. 桑尼和他的同事们现在发现中子星双星是一种形式的引力波潜在源，它的强度可用基本物理原理毫不含糊地预测出来，而它的数量则可由天文观察估算得到。一颗中子星双星像一个从这一头到那一头转动的巨大杠铃。经过多少亿年，两颗星体以螺旋形旋转互相接近，直至碰撞和消失。在并合前的最后时刻，星体间相距20公里时，其运动速率可与光速相比。

在距离6.5亿光年的星系中的一对中子星双星发出的引力波在地球上会产生4/10⁸²的应变。引力波频率等于中子星互相蟫旋转动的两倍。在中子星并合前的几分钟，大约每秒转动5次。临近并合时、加速到每秒500转。因此引力波的频率将从每秒10周增加到1000周。

宇宙间中子星双星是稀少的，而是很难从它们的电磁辐射中检测到。天文学家已经将400多颗中子星编入目录。但是他们证实，在我们这个星系里只有四对中子星双星。天体物理学家用这四对中子星已近似地推算出宇宙间每年有多少对中子星碰撞。哈佛天体物理中心的R. 那拉阳和他的同事们以及加利福尼亚理工学院的E. S. 费耐已各自独立地计算出年大约离地球6.5亿光年距离范围内每年可能有几对中子星消失掉。

从理论上看，如果建造起LIGO，就可以测量4/10²²的应变，每年都有很好的机会去检测从几对中子星双星发出的引力波。从实践上说，研究人员需要至少在两个相距很远的地点建造两台检测器，这样才能把本地干扰和引力波区分开来。他们，还必须在第三个处所建立起另一台检测器以测定源在天空中的位置。

桑尼确认到公元2000年定能检测到来自中子星双星的引力波。在泰劳和哈尔斯首次提出有说服力的引力波证据之后一年，即1979年，桑尼说服Caltech的物理工作者进入检测引力波的领域。为求领先，他们请来曾在格拉斯高大学从事棒检测器和干涉仪工作的W. D. 德拉瓦参加工作。为了同M. I. T. 的伟斯组竞赛，Caltech首次提出用干涉仪检测引力波、为了鼓励用干涉仪检测引力波这个新事物，国家科学基金会（NSF）增加拨款，同时支持Caltech和M. I. T.的研究。德拉瓦和韦斯竞相建造更加灵敏和奇妙叫干涉仪。直到NSF用“包办婚姻”的办法让M. I. T.和Caltech合并，这标志着政府开始启动LIGO工程。经过精通引力波考察又精通大型科学工程管理的物理学家组成的专门委员会的审查，最后作出评定：他们热烈赞同LIGO工程的科学目标，要求NSF拨款建造LIGO。一年之后，著名物理学家，前Caltech副校长R. 优格特接受了对他的工程领导人的任命。

干扰的控制

接着，LIGO组用了两年时间来分析样机部件，包括对所有接收到的干扰源的一次彻底检查。据LIGO代表S. E. 危特诃勃告知，低频区的最大问题是地震干扰，它是由震动引起的，从地面传到光学元件。在高频区，问题是光子“射击”干扰，这是激光束功率的微小涨落的结果。中频区主要障碍是悬挂热干扰，它产生于所有结构的与其温度成比例的微小振动。

到1989年末，危特诃勃及其工程组向NSF提出了工程结构建议。这就是现在的LIGO设想：包括在遥远的两个实验室：每个实验室包含一个L形真空系统，它的臂长4公里；两个实验室最后将容纳同时运转的9台干涉仪。如果进展顺利，计划到1997年在两实验室各装一台4公里干涉仪，其中一个实验室要另加一台2公里干涉仪。这三个检测器组成的系统能够清除混淆引力波的虚假信号。预计这个创始装置能测量大约3/10²¹的应变。设计人员正在研究更先进的检测系统，灵敏度达到不可思议的数字：4/10²²。这是检测中子星所需要的范围。他们希望第三台检测器由欧洲、日本或澳大利亚的企业集团来建造，它是用来确定引力辐射源在天空的位置的。

时年，LIGO要确定两个实验室最后的工程规划，并选择美国大陆上远离的两处场地。理想的场地应该是平坦的、广阔的、无论声学上还是地震学上都是宁静的。

LIGO的所有元部件都必须保持真空条件以防激光束因气体分子引起的散射。每个LIGO场地上需要用钢管封闭9，000立方米的容积，它是世界上最大的真空系统。这个系统及其相关结构和建筑的费用占总预算的90%。

LIGO价值的证实将在它对宇宙和引力本质的揭示之后。一劳永逸地证实引力波的存在将是它的一项成就，但这只是有待它验证的一系列通行理论的开始。例如，物理学家应当能测定像引力波速率这类基础性质。

第一列引力波之外

桑尼坦率相告，LIGO在中子星双星之后还有更大的企图：居于期望清单首位的是黑洞。虽然天文学家对可能有多少黑洞存在知之甚少，更不用说有多少黑洞双星存在。但桑尼指出：“许多权威人士都希望LIGO能通观整个宇宙，那就会看到每年有不少黑洞双星并合。”

同中子星双星相同，两个黑洞会相互向着对方作螺旋状旋转，并产生振辐和频率都迅速增加的引力信号。这种信号包括如下相关信息：轨道离心率和倾角，物体质量，源的绝对距离。两个黑洞万一碰撞就提供不寻常的机会去检验相对论。

爱因斯坦的理论在预测质量的空间和时间反应方面有完整的记录，那个反应比较小，运动缓慢。但是理论家们用爱因斯坦方程去预测黑洞碰撞时空间发生的变化却没有获得成功。桑尼解释说，原因在于爱因斯坦方程“吓人的非线性”，所以碰撞的动力学大概对这样一些参量很敏感：黑洞的质量、转动速率和它们的轨道。他期望有一天实验工作者能记录由这样的黑洞碰撞产生的引力波，而理论工作者则须学会用超级计算机模拟这样的事件。

研究工作者检测出宇宙诞生（即所谓大爆炸）时发出的引力辐射的可能性很小。而事实上，理论家现已计算出第一次产生引力辐射是在大约大爆炸后的1/10³⁶秒。他们认为这时的引力波是在宇宙中自由传播的，不被吸收，也不被物质所散射。引力波能揭示宇宙创始期的真实情况。

然而电磁辐射在宇宙中开始自由传播则在大爆炸百万年之后。物理学家已经检测到它，发现的情况引出对宇宙演变的重要见解。

尽管理论家提出引力波会从螺旋转动的中子星、巨大的爆炸星体、碰撞的黑洞以至太爆炸中产生，然而所有的预测都局限于固有的观念、他们关于宇宙的基础信息是天文学家从电磁信号中积累起来的。有些关于引力波源的信号肯定是不可靠的。只凭电磁辐射的研究去想象引力波源，这有点像只凭对乐队指挥的视察去猜测交响乐团的音乐一样。宇宙间很能包含着还没有被人预想到的引力源。“现在唯一可以确信的是：中子星双星的并合，”伏格特宣称，“我相信，有一个除此之外有许多东西还未被认识的阴曹地府。”

（Scientific American，1992年3月）