作者：王爽 中山大学物理与天文学院研究员
编辑：婉珺
昨天，物理和天文学界又发生了一件大事：美国的LIGO和意大利的Virgo合作组联合宣布，它们于2017年8月14日发现了一个新的引力波事件。
相信大家对LIGO并不陌生，这个名字总伴随着引力波一起出现，那么Virgo又是什么呢？
和LIGO一样，Virgo也是一个大型的激光干涉仪引力波探测器。Virgo项目最早由意大利和法国的科学家创立，后来荷兰、波兰和匈牙利的科学家也先后加入其中。2003年6月，Virgo于意大利小城卡希纳建成。它的主体部分是两条长达3公里并且互相垂直的干涉臂，里面全部被抽成真空。2007年，Virgo和LIGO达成了合作协议，开始共同处理探测器数据并共同发布探测结果。2011年以后，科学家对Virgo进行了技术升级，把它变成了与“高等LIGO”具有相同探测能力的“高等Virgo”。升级后的Virgo于2017年开始正式运行。2017年8月14日，它与LIGO一起发现了这个新的引力波事件。
这个被称为“GW170814”的引力波事件是一次双黑洞合并：在与地球相距18亿光年的地方，两个质量分别为31倍和25倍太阳质量的黑洞合并成了一个53倍太阳质量的黑洞。
这次的发现有一个特别之处：以前的引力波事件都是由LIGO的两个探测器发现的，而这次的事件则是由LIGO和Virgo的三个探测器同时探测到的。
目前发现的所有引力波事件。不同颜色的图形内部的区域，对应着不同的引力波事件在天球面上的方位。由于GW170814是由三个探测器同时探测到的，所以它的定位精度就比以前的引力波事件要准很多。图片来源：LIGO/Virgo/Caltech/MIT/Leo Singer｜Ligo.org
以前，学术界有不少人怀疑LIGO是否能在近期内获得诺贝尔奖。在LIGO第一次发现引力波的时候，我就和我的一个同事打了一个赌：我认为LIGO会在5年内获得诺贝尔物理学奖，而他认为不会。我同事反对的理由是，那次的引力波事件仅仅被LIGO的两个探测器探测到；而要想获得诺奖，还需要第三个探测器的独立检验。有这种看法的人，在学术界为数不少。所以这次的发现，为LIGO扫平了通往诺贝尔奖的最后一个障碍。
为什么有三个探测器同时探测到引力波会这么重要呢？这得从引力波先驱、美国物理学家约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）讲起。
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韦伯的传奇人生
身穿美国海军学院制服约瑟夫·韦伯（1919-2000），摄于1940年。图片来源：Wikipedia
韦伯的人生经历相当传奇。他是军人出身，一直在美国海军服役。当年日军轰炸珍珠港的时候，他恰好是一艘美国军舰的军官，眼睁睁地看着自己的军舰被日军击沉。不过后来在太平洋海战中，韦伯实现了他的复仇；他率领的一艘军舰，击沉了日本人的一艘航母。
1943年，韦伯开始转行做科研，为美国海军局设计电子对抗系统。1948年，韦伯以少校的身份退役，然后被聘为马里兰大学的一名工程学教授。
韦伯刚加入马里兰大学的时候其实承受了很大的压力。在所有的工程系教授中，只有他一人没拿过博士毕业。所以在1948至1951年期间，韦伯过得非常忙碌，白天要在马里兰大学给学生上课，晚上又要去美国天主教大学攻读自己的博士学位。1951年，韦伯顺利地拿到了他的博士学位。顺便说一句，在攻读博士学位期间，他对激光科学做出了很大的贡献。
1955年，韦伯突然对广义相对论产生了极大的兴趣。利用自己的学术休假年，韦伯跑到了普林斯顿高等研究院，向著名物理学家约翰·惠勒学习广义相对论。正是在这段时期，韦伯突然认识到，引力波是有可能被探测到的。
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引力波特别难测的原因
早在1916年，爱因斯坦就在广义相对论的框架下预言了引力波的存在。引力波是时空的涟漪。如果有一列引力波传来，它会使与其传播方向垂直的空间发生周期性的形变：横向收缩，纵向就拉伸；横向拉伸，纵向就收缩。由于空间本身在形变，置身于其中的物体自然也会跟着形变。也就是说，当引力波传来的时候，小到一把尺子，大到整个地球，都会在与引力波垂直的方向上发生周期性的伸缩。
引力波以“波”的形式传播时空结构的变化。当引力波经过时，空间结构会发生形变（收缩或扩张），并按照“纵向扩张横向收缩”-“复原”-“横向扩张纵向收缩”-“复原”的顺序不断变化。图为在三维情境下，引力波经过时预计会造成这样一幅景象。值得注意的是，这些变化的尺度是非常非常非常小的。图片来源：Markus Pössel of Einstein Online
不过，你完全不必担心引力波会把我们扯坏。这是因为一列引力波总是按照一个固定的比例来拉伸物体，而这个比例又特别特别小。到底小到什么地步呢？最多不超过10万亿亿分之一。打个比方。如果有把尺子长达1000公里，相当于从北京到上海的直线距离，那引力波大概能使它变动1000万亿分之一米，相当于一个原子核的大小。如果有把尺子长达10万光年，相当于我们银河系的直径，那引力波大概能使它变动1米。
这就是引力波特别难测的原因：它的信号实在是太微弱了。事实上，在20世纪前半叶，根本没有任何科学家相信引力波是可以被探测到的。但上世纪50年代，韦伯想出了一个探测引力波的办法。为此，他还从马里兰大学的工程系转到了物理系。
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韦伯棒及其探测引力波的原理
韦伯用来探测引力波的实验装置名叫“韦伯棒”。
韦伯和他的“韦伯棒”。图片来源：physics.umd.edu
韦伯棒是一个直径1米、长度2米、质量1吨的圆柱形铝棒。如果有引力波传来，铝棒的两端会交错地收缩和拉伸。前面说过，正常情况下铝棒的伸缩比例特别小，根本就无法测量。但韦伯发现，在一种特殊情况下，韦伯棒的伸缩比例能非常显著地增大。这种特殊情况就是共振。
我们知道，外力能迫使物体发生振动，比如你用力推一个秋千，就可以使它晃动起来；如果外力的频率恰好与振动物体本身的频率相等，就会使这个振动的幅度大幅增加。这种现象就是共振。
举个例子，在19世纪初，一队法国士兵迈着整齐划一的步伐，走上了法国昂热市的一座大桥。但他们走到一半的时候，大桥却突然断裂，使许多官兵和市民落入水中丧生。后来发现，造成这次惨剧的罪魁祸首就是共振。这群士兵齐步走的频率，恰好与大桥本身的频率相等，这导致大桥的振动幅度急剧增加，最终造成了大桥的断裂。
韦伯认为，可以利用共振现象来探测引力波。韦伯棒的本身频率是1660赫兹。如果远处传来的引力波的频率也是1660赫兹，就可以使韦伯棒发生共振，从而让韦伯棒的伸缩幅度大幅增加，进而被安装在韦伯棒周围的探测器检测到。
为了提升韦伯棒的探测能力，韦伯想了不少办法，比如他用细细的铁丝将韦伯棒悬挂起来，从而减小了振动时韦伯棒的能量损失。另外，为了避免地震等意外因素的干扰，韦伯在两个相距上千公里的地方放置了两个完全相同的韦伯棒——只有当两个探测器同时探测到一模一样的引力波信号之时，才说明韦伯棒探测到了引力波。这些想法，后来也都被LIGO采纳了。
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韦伯的失败和他给人们的启迪
1969年，韦伯在著名的物理学期刊《物理评论快报》上发表了一篇文章，宣称他放置在不同地方的两个韦伯棒同时探测到了引力波。这篇文章立刻在全球范围内引起了巨大的轰动。世界各国的科学家都陆续建造了类似韦伯棒的实验装置，来探测引力波。
但诡异的事情发生了。在接下来的数年中，除了韦伯，再也没人能探测到引力波。越来越多的人都开始质疑韦伯的实验结果，甚至把他当成一个欺世盗名的骗子。
1974年，在麻省理工学院举行了一次相对论会议上，反对韦伯的呼声像火山一样彻底爆发。多位学者站出来质疑韦伯的引力波实验，说他根本没测到任何引力波，只不过测到了一堆莫名其妙的噪音。有人甚至嘲笑韦伯，说他测到的其实是他自己的心跳。韦伯竭力反击，双方吵得不可开交，几乎快动手打起来。最后，还是会议主席借助他的拐杖的威力，才防止了冲突的进一步升级。
吸取了韦伯事件的教训，后来人们制订了一个不成文的规定：只有当三个放在不同地方的“韦伯棒”同时探测到引力波的时候，才能说明引力波真的存在。
虽然后来有人从数学上证明“韦伯棒”的探测能力不足，根本不可能探测到引力波，但“三探测器同时确认才有效”的原则，却已经深入人心。
现在，意大利Virgo的第三个探测器确认了LIGO确实发现了引力波，“三个探测器”的要求已经达到。看来我和同事打的赌，也将以我的胜利而告终。
现在我们已经进入了引力波天文学的时代。毫无疑问，好戏才刚刚开始。
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