1. 今年初科学界发表了一个重大的发现，宣布首次检测到重力波的存在。

爱因斯坦一百年前在其广义相对论中假设了重力波。根据相对论，空间与时间形成了一个交织的“空时”(spacetime)系统。在这个系统内，时空的弯曲度与重力源有关。当重力源变化时，时空的弯曲度也会随着变化。这种弯曲度的变化不会停留在一处，而是会传播开来。这就是“重力波”（gravitational wave，或称“引力波”）。

从20世纪中叶以来，许多科学家设计了种种实验去检测这个理论上的重力波。但都没有成功。2016年2月11日，美国的一个名叫LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory 激光干涉重力波天文台）的实验小组宣布了一条重大新闻：他们终于探测到重力波了。

2. 这个发现所根据的数据

探测到重力波的是两个相距3000公里的 LIGO探测仪。它们分别位于美国南部的路易斯安那州和美国西北部的华盛顿州。根据LIGO发表的文章(Ref.1 Phys. Rev. Lett.116, 061102)，检测到重力波的信号是极小的。图1是LIGO探测到重力波的信号图像。

图1：LIGO探测到重力波的信号图像（摘自Phys. Rev. Lett.116, 061102 Figure 1）

从图1可以看出，这次LIGO探测的重力波最大的信号为十万亿亿分之一（10^-21）。这是个什么概念呢？探测器的臂长是4000米，这个长度的十万亿亿分之一是4x10^-18米，而一个氢原子的半径约为1.2x10^-10米。也就是说，LIGO探测到的长度变化只有一个氢原子半径的一亿分之一的数量级。不过，对于LIGO的领军者之一Dr. Weiss而言，他认为这次探测到的重力波信号已经大得超出了他的想象（“It was amazing. The signal was so big, I didn’t believe it.”）（Ref.2 Gravitational Waves Detected,Confirming Einstein’s Theory）。

报告中指出，两个LIGO的观测站同时探测到的信号长达0.2秒。从路易斯安娜州探测到的信号比华盛顿州的信号早约7毫秒，这个时间差显示重力波可能是从南部天区传来。

3. 对这些数据的解释

LIGO科学家分析以上数据后认为，这次探测到的重力波是由13亿光年之外的两颗黑洞在合并的最后阶段产生的。两颗黑洞的初始质量分别为大约29颗太阳和36颗太阳，它们以光速的一半的速度接近，互相快速旋转，最终在0.2秒内合并成了一颗62倍太阳质量的高速旋转黑洞。在这个合并过程中，两颗黑洞部分的质量转换为能量，以强大重力波的形式释放到宇宙空间。根据他们的计算，这一事件释放的能量相当于我们太阳的质量的三倍。这种辐射能量比目前宇宙中所有星星所释放的能量的总和还要高出50倍！（Ref.2 Gravitational Waves Detected,Confirming Einstein’s Theory）

4. 这个发现的公布成了全球的大新闻

如果LIGO公布的发现是真的话，这是非常了不起的事情。这是人类首次探测到重力波的存在，也是科学家首次观测到两个黑洞合并的惊人发现。关于这一发现的新闻立刻引起全球的关注。许多顶尖的媒体，包括，《自然》、《科学》、《纽约时报》、BBC新闻等等，都很兴奋地报道LIGO的重力波发现和爱因斯坦预言的成功。

而LIGO计划的三位领军科学家：Kip Thorne ( 加州理工学院), Rainer Weiss (MIT) 和 Ronald Drever (从加州理工学院退休) 也成为了媒体关注的明星。科学界和媒体纷纷开始预测究竟哪几位LIGO的科学家会获得诺贝尔奖了。

5. 最近的研究报告显示，从中微子的观察检测不到LIGO宣称的黑洞合并

如上所说，两个黑洞的合并会释放极大的能量，理论上这样的天文事件应该能够从其它光谱上探测得到。然而，在过去几个月来，一直没有别的天文观察能够证实LIGO宣称的黑洞合并的发现。相反的，最近的研究显示，从中微子（neutrino）的观察检测不到LIGO宣称的黑洞合并。两个中微子观察站（IceCube and Antares）分析了在LIGO发现黑洞合并前500秒到合并后500秒之间的数据，在LIGO宣称黑洞合并的方向并没有发现中微子通量的大幅增加(Ref.3 Phys. Rev. D 93, 122010)。按理来说，如果真的发生了巨大黑洞的合并，应该会发现很多中微子才对。

6. 等着回答的两个重要问题

因此，我对于LIGO此前公布的探测结果有一些疑问。我认为在相信LIGO的结果之前，我们首先必须回答以下两个问题：

1. 我们是否可以排除其它对LIGO信号来源的解释？例如由地震引发探测器的震动？两个LIGO探测器分别位于路易斯安那州和华盛顿州。它们同处于北美地质板块上。因此，它们同时探测到的信号有可能是北美板块的震动。如何排除这个可能性呢？

2. 重力波的来源（两个黑洞的合并）是否可以通过其它观察来验证？LIGO的报告认为是两个黑洞的合并产生了被探测到的重力波。黑洞的合并会释放出极大的能量，应该可以用观测不同能量波谱（different energy spectrum）的实验来验证。有这方面的实验证据来支持LIGO的发现吗？

到目前为止，我还看不见其它的实验证据。而唯一一个有关的研究报告，就是前面提到的中微子的分析报道，与LIGO公布的发现似乎不太吻合。

7. 这个故事很快就可以被验证是真的还是假的

那么，LIGO到底是否真的发现了重力波？目前也许言之尚早，这还有待更多的观测结果。不过，这个问题在几年内肯定就会有答案的。目前有好几个探测重力波的计划都在启动了。除了美国的LIGO重力波探测器之外，法国和意大利合作的VIRGO探测器很快就要上线了。还有德国和英国合作的GEO600也会启动，日本的KAGRA也正在建设中。除了地基重力波探测器之外，科学家也在积极筹备LISA（激光干涉太空重力波天线）。也有科学家在利用一种叫PTA(pulsar timing array，脉冲星计时阵列)的射电望远镜检测方法来探测重力波。中国也开始筹备一个重力波探测工程“天琴计划”。该计划已经于2015年7月份正式启动。或许不久的将来我们就能确定这次LIGO的发现到底是不是重力波了。

参考文献：

1. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaborationand Virgo Collaboration) “Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger”, Phys. Rev. Lett.116,061102

2. Dennis Overbye, “Gravitational Waves Detected, Confirming Einstein’s Theory”,New York Times, FEB. 11, 2016

3. S.Adrián-Martínez et al. (Antares Collaboration, IceCube Collaboration,LIGO Scientific Collaboration, and Virgo Collaboration) “High-energy neutrino follow-up search of gravitationalwave event GW150914 with ANTARES and IceCube”, Phys. Rev.D 93, 122010