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科普2017年诺贝尔物理奖--引力波探测释疑
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去年我写了一篇《黑洞狂舞之声--引力波畅想曲》对引力波及其探测进行了简单的介绍。今天，诺贝尔委员会宣布该项成果获得了诺贝尔物理学奖。奖金虽然只发给三人，但诺贝尔委员会强调，这是对参与相关研究前仆后继的人们的共同认可。最初提出使用激光相干方法进行引力波探测的是苏联科学家。但首先付诸实践进行相关实验的是MIT的物理学家 Rainer Weiss。他首先做了一个1米长度的干涉仪，虽然没有探测到引力波，但奠定了相关实验设置的基本构架，包括需要排除的噪音信号以及解决方案等等。WEISS的分析表明，要成功探测引力波需要一个数公里长度的干涉仪。因为WEISS的开创性工作，他这次得到了诺贝尔奖金的一半。另外两位物理学家在引力波探测的大规模实验中居功至伟，各得1/4。
根据爱因斯坦的广义相对论，引力实际是时空几何的弯曲。广义相对论的方程表明，这种弯曲随时间的变化可以用波的形式传播，称为引力波。引力波所到之处，会导致时空本身的伸缩。引力波是一种横波，也就是说它的振动方向与传播方向垂直。如果引力波从屏幕里向外射出来，那么它会导致屏幕长度与宽度方向空间的伸缩，一边是拉长，一边是压缩。如果有两道垂直方向的激光分别射向两面镜子，在引力波作用下，两个方向上距离出现拉伸与压缩的差异，两道激光路线返回需要的时间不同，通过激光返回的这个时间差异就可能测出两个方向距离变化的差异，也就可能测出引力波了。LIGO （激光相干引力波观测台）的工作原理就是利用这个拉长与压缩的差异，进行引力探测。它（以及其他干涉探测）之所以灵敏，在于它是一种零与非零的实验。在没有引力波的时候，两条光路的光波相位相反、互相抵消，探测器没有信号；当两者有细微的差别，就会出现非零的信号。
在LIGO里，两道激光实际往返百次，这就相当于把两个回路的距离增长到上千公里。为什么要这么大的探测器呢？因为引力波非常微弱。计算表明，两个30倍太阳质量的黑洞相绕狂舞，两者距离300公里，一秒钟转 100 圈，庞大的质量、速度达到光速一半，产生的引力波在黑洞附近固然强大，但传到10亿光年外的地球，强度只有约 10万亿亿分之一。换言之，这个引力波只能产生10万亿亿分之一的空间伸缩。即使把这个及其微小比例乘上 1000 公里，所产生的距离变化也是微乎其微。
值得注意的是，空间拉伸的并不意味着物体的拉伸。如果引力波垂直于屏幕对着你传出，计算机屏幕的长宽并不会变化。这是因为屏幕是一个通过分子间的作用紧密结合在一起的整体，分子间的距离取决于电磁作用，微弱引力完全可以忽略。打个比方，如果在一块橡皮上放两个钉子，当你慢慢拉伸橡皮，钉子会跟着橡皮而动，两者距离会变大，但钉子本身的大小不会变。
因此，微弱的引力波来临时，地球大小不会变，LIGO的那两条光路的真空管道长度也不会变。媒体上画的地球在浑身颤抖是一个误解。LIGO的两条光路距离之所以在变化，是因为其悬挂的镜子是可以在水平方向自由运动的。我在《引力波探测的滤震(2)》分析了两级单摆的滤振，但这个悬挂装置还有一个用途，就是使镜子在水平方向（也就是探测平面）处于自由状态，可以跟着空间的伸缩而动。这样，光的两条道路的距离也就随之而变了。
在网上还经常看到一个疑问。既然引力波导致空间的伸缩，那么运行中的光波的波长也会跟着伸缩。引力波来时，光路距离虽然增大，但光波长也等比例增大，为什么会有相位的变化呢？产生这个疑问的人可能联想到了光波随着宇宙膨胀而拉长的现象。宇宙大爆炸，混沌初开时的可见光随着空间的膨胀被拉长成了微波，以背景辐射的形式被探测到，这几乎已经成为常识。
宇宙的膨胀是持续的空间拉伸，已经在空间传播的光波就被持续拉伸，但现在新发出的一道可见光的波长不会是微波的波长。LIGO探测的引力波周期相当长，约为100分之一秒的量级。当引力波来临时，空间发生伸缩，可以想象成一个伸缩的定格。新发出的激光的波长等于光速除以频率，光速不变，光的频率取决于原子物理，也不变，因此光的波长也不会变。（注一）
引力波是爱因斯坦基于其引力场方程提出，激光也是基于爱因斯坦提出的受激辐射的量子理论。LIGO 探测引力波是站在巨人的肩膀上。面对这样的难题，西方科学界数代人投入大量资源，经过近一百年的努力，才取得这样基本的成果，光凭功利思维是不可能的。
注一：引力波到达之前已经在传播的光，在引力波到达后会发生波长的变化，但是在两个垂直的方向光路距离不同，这导致它们回到干涉点的时间出现一个差别，因而也会有相位差的改变。这个相位差取决于尚未走完的距离。
