今天我们见证引力波的“存在”，可以说是替爱因斯坦完成了他的“未完成交响曲”。这是一部大曲，相比之下，GR的其他几个实验只是小插曲——它们只是对确定现象的确定计算的检验。引力波的舞台是整个宇宙时空，不同来源的波有不同的频率（如脉冲星~μHz，超大质量黑洞~mHz，一般黑洞~100 Hz），产生不同的效应，需要不同的模型和工具来观测。1974年发现的脉冲双星PSR1913+16只是间接透露了引力波的信息^[12]，对GR的意义更像水星近日点的进动，因为拉普拉斯和庞加勒早就想到引力系统会失去能量（当然，两位前辈的想法都有“特设”（ad hoc）的意味，有点儿像狭义相对论之前的以太曳引。

GW150914是对相对论的多重检验，不仅证明了引力波的存在，也检验了相对论的数值模型。Kip Thorne就一直相信最可能首先看到2个黑洞“约会”^[13]。根据2个黑洞飞旋着相互靠拢（inspiral）时发出的引力波，可推测黑洞的质量、自旋和表面积。根据它们碰撞（collision）时产生的引力波，可了解强烈弯曲状态下的时空动力学。最后2个黑洞合二为一，爆发一声铃响，然后铃声衰减（ringdown），根据“渐行渐远”的波，可推测合并后的黑洞的质量、自旋和表面积。图1是数值模拟的黑洞碰撞过程的引力波形的草图^[14]。从GW150914我们还知道了黑洞的形成背景、大小和距离，推测了双子黑洞约会的几率（单位时空里的黑洞相遇事件）。一般说来，引力波会透露更多的消息：黑洞如何失去“多余的毛”，约会后留下一个洞还是一个裸露的奇点——引力波的数值模拟可以生成裸奇点，霍金因此承认“宇宙监督”输了^[14]。

图1   黑洞从相约到结合的引力波过程

观测引力波当然不是为了“检验”，而是为了发现。1989年，Kip等在向美国科学基金会申报LIGO项目时，提出2个终极目标（ultimate objectives），一个是检验：检验GR的预言，测量引力子的静止质量和自旋，研究引力的非线性动力学；一个是发现：为宇宙打开不同于电磁天文学和粒子天文学的新窗户。

引力波能打开窥天的新窗户，是因为它能看得更远、更深。引力波可能“看见”黑洞和奇点，这是电磁波和其他基本粒子做不到的。电磁波的眼睛能看到宇宙爆炸10万年以后的景象（如CMB），粒子的眼睛（如中微子）能看到大爆炸1 s之后的景象。只有引力波，从大爆炸出来而不会丢失原始信息，才能看到宇宙大爆炸的开始（图2）^[14]。 

图2   引力波能带来大爆炸的消息 

2000年，Kip在60岁时预言和猜想了引力波的愿景：精细的时空弯曲地图，黑洞碰撞、中子星碰撞以及中子星与黑洞的碰撞编目（犹如恒星和星系的编目），致密星体核的物态方程，大爆炸奇点的引力波，原初黑洞（霍金认为的暗物质候选者）。这些将促进我们认识极早期宇宙和探索Planck尺度物理学，判别不同的宇宙模型。来自大爆炸的引力波可能让我们认识暴胀期的一级相变（对称自发破缺）和宇宙弦（时空拓扑缺陷）（图3）^[15]。而更激动人心的是，我们能画出犹如CMB那样的大爆炸背景引力波分布，像Penrose从CBM“看见”共形循环宇宙一样^[16]，透过原初的引力波看见新的宇宙图景。

 图3   原初引力波背景和对应的实验观测 

爱因斯坦相信“完备的”量子论会修改引力论，超弦理论因为“预言”了自旋为2的引力子而成为可能的“量子引力论”。在超弦图景中，引力子是弦圈，不受膜的束缚，能跑到高维空间，于是引力波还肩负着探索额外维空间的使命，而额外维是否存在，也决定着超弦论的命运。有趣的是，也有人认为引力子是一种暗物质（它的引力波信号也许藏在脉冲星里），如果LIGO真的如Kip期待的那样测出引力子的质量，那必然拉开真正的量子引力论的大幕。

当广义相对论与量子论联姻时，引力波的观测原理和方法也可能发生革命性的变化。例如，伯克利加州大学的乔瑞宇（Raymond Y. Chiao）就考虑将电磁波转换成引力波，用超流氦的量子液滴的振动来探测引力波。通过电磁场与引力波的转换，还可能直接在引力波中看到CMB^[17]。

引力波从爱因斯坦的思想体操进化为当代大科学，当年没找到以太的Michelson-Morley干涉仪如今升级为大尺度的LIGO和LISA，令人惊叹科学和技术的进步；然而千百万人追逐一个百年前的幽灵，又不禁令人慨叹今天的思想的苍白。LIGO申请报告的开头引用了马基雅维利《君主论》的一句名言：“没有比引领事物的新秩序更难把握、更冒险和更不确定的了。”（There is nothing more difficult to take in hand, more perilous toconduct, or more uncertain in its success, than to take the lead in the introduction of a new order of things.）我们今天缺的也许正是引领新秩序的思想，引力波的春浪能激起思想的波澜吗？

 

参考文献

[12] Taylor J H, Weisberg J M. A new testof general relativity - Gravitational radiation and the binary pulsar PSR1913+16[J]. Astrophysical Journal, 1982, 253: 908-920.

[13] BradyP R, Creighton J D E, Thorne K S. Computing the merger of black-hole binaries:The IBBH problem[J]. Physical Review D, 1998, 58: 061501.

[14] ThorneK S. Warping spacetime[M]. Gibbons, Shellard E P S, RankinS J. The Future of TheoreticalPhysics and Cosmology: Celebrating Stephen Hawking/s 60th Birthday. Cambridge: Cambridge University Press, 2003: 74-118.

[15] Battye R A, Shellard E P S.Relic gravitational waves class[J]. Classical and Quantum Gravity, 1996, 13: A239-A246.

[16] Penrose R. Cycles of time: An extraordinarynew view of the universe[M]. New York:Knopf, 2010: 288.

[17] Chiao Raymond Y. Conceptual tensions betweenquantum mechanics and general relativity: Are there experimental consequences?[M]//BarrowJ D, Davies P C W, Harper C L, Jr. Science and Ultimate Reality. Cambridge, England:Cambridge University Press, 2004: 254-278.

 

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