引力波：13億光年外的宇宙“心跳”

如同伽利略首度把他的望遠(yuǎn)鏡指向天空，這項(xiàng)對天空的新觀測，將會加深我們對宇宙的理解，引發(fā)超乎預(yù)料的發(fā)現(xiàn)。

2月11日，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）負(fù)責(zé)人、加州理工學(xué)院教授David Reitze宣布，人類首次發(fā)現(xiàn)了引力波。消息一出，震動世界科學(xué)界。英國天文物理學(xué)家斯蒂芬·霍金表示，他相信這是科學(xué)史上重要的一刻。

最后一塊“拼圖”被找到

引力波是愛因斯坦廣義相對論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中最后一塊缺失的“拼圖”。愛因斯坦于1916年左右在廣義相對論中提出引力波理論，認(rèn)為聚集成團(tuán)的物質(zhì)或能量的形狀或速度突然改變時，會改變附近的時空狀態(tài)，效應(yīng)就像漣漪以光速在宇宙?zhèn)鞑?。因此，?dāng)兩個黑洞于約13億年前碰撞，兩個巨大質(zhì)量結(jié)合所傳送出的擾動，于2015年9月14日抵達(dá)地球，被地球上的精密儀器偵測到。

然而，從預(yù)言到探測，物理學(xué)家等待引力波的到來已有一百年之久。為什么引力波這么難得一見？主要原因是，相比較其他的幾種力（強(qiáng)力、弱力、電磁力），引力是最弱的，相應(yīng)的引力波效應(yīng)也就很弱。想當(dāng)初愛因斯坦在發(fā)表自己新的理論之后，就估算了引力波的強(qiáng)度。引力波的強(qiáng)度通常利用相對變形大小來表示，但是結(jié)果往往是小的可憐，幾乎無法探測到。

事實(shí)上，本次引力波的發(fā)現(xiàn)也有幾分運(yùn)氣。LIGO在1999年建成并且開始運(yùn)行。但在2010年進(jìn)行升級之前，沒有探測到任何確定的引力波事件。從2010年開始，LIGO對探測器進(jìn)行了第二階段的升級，2015年6月進(jìn)行測試運(yùn)行，2015年9月開始正式運(yùn)行，第一階段的科學(xué)運(yùn)行一直持續(xù)到2016年1月，升級后的版本被稱為Advanced LIGO（簡稱aLIGO）。而此次新聞發(fā)布會的結(jié)果其實(shí)就是在剛剛升級完之后，由還在進(jìn)行測試中的aLIGO所探測到的。相比較之前，aLIGO的探測靈敏度提高了10倍。

就像發(fā)布會中所言，這或許是大自然給我們苦盼許久的一份禮物。2012年，LIGO天文臺創(chuàng)建人基普·索恩在《科學(xué)》雜志的一篇評論文章中說，預(yù)計(jì)在2017年，第一例黑洞合并的事例將會被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時預(yù)計(jì)LIGO的升級會在2016年底完成，結(jié)果是升級進(jìn)度超前，讓我們提前聽到了宇宙時空的聲音。

打開科學(xué)研究新的“窗口”

斯蒂芬·霍金的黑洞與宇宙起源理論為我們開啟了探索時空之謎的渠道，現(xiàn)在這位科學(xué)家正在研究引力波理論，試圖將其納入新的理論體系中，并且認(rèn)為如果引力波理論被成功突破，其意義絕不亞于希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)。

霍金在接受英國廣播公司專訪時表示：“引力波提供看待宇宙的嶄新方式，發(fā)現(xiàn)它們的能力，有可能使天文學(xué)起革命性的變化。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)是首度發(fā)現(xiàn)黑洞的二元系統(tǒng)，是首度觀察到黑洞融合。”“除了檢驗(yàn)（愛因斯坦的）廣義相對論，我們可以期待透過宇宙史看到黑洞。我們甚至可以看到宇宙大爆炸時期初期宇宙的遺跡、看到其一些最大的能量，”霍金說。

資助這項(xiàng)研究的美國國家科學(xué)基金會負(fù)責(zé)人柯多瓦表示，“如同伽利略首度把他的望遠(yuǎn)鏡指向天空，這項(xiàng)對天空的新觀測，將會加深我們對宇宙的理解，引發(fā)超乎預(yù)料的發(fā)現(xiàn)?！?/p>

引力波以光速傳播，它與物質(zhì)的相互作用非常弱，所以引力波可以給我們提供宇宙幾乎無阻擋的圖景，而這個幾乎是無法利用我們熟知的電磁波來達(dá)到的。比如，利用引力波，我們可以看到宇宙的最早期，在此之前，電磁波是不能給我們提供的。所以引力波是我們了解宇宙形成的最好工具。

如果還記得在《星際穿越》電影中的結(jié)尾之時，主人公庫珀身處一個五維時空的超體方體中，為了將從黑洞中心所提取出來的信息傳遞給身處四維時空的女兒墨菲，人為地制造引力波效應(yīng)，成功將信息傳遞，從而使人類得以解救。引力波從目前物理學(xué)家的認(rèn)識來看，是唯一一種可以在不同維度傳播的波。不同宇宙之間的碰撞，會產(chǎn)生引力波。說不定在不遠(yuǎn)的將來，我們也可以依靠引力波來判斷多重宇宙的存在與否。

就如同一個天生的聾啞人，一直在聽別人說聲音的存在，突然有一天聽力恢復(fù)了。我們此刻的心情也是差不多如此，引力波給我們打開了一扇全新的窗口。

中國的“太極”與“天琴”

“LIGO的成功對于全球空間引力波探測與研究都具有啟示作用，但只是奏響了序曲”，在中國科學(xué)院院士胡文瑞看來，“空間引力波探測就像是一出交響樂，主調(diào)部分還沒開始。”LIGO的發(fā)現(xiàn)讓我國科學(xué)家對中國引力波研究充滿期待，中國科學(xué)院正在醞釀的“太極計(jì)劃”將探測天文學(xué)和空間宇宙物理最前沿的課題——測量中、低頻引力波。

按照空間“太極計(jì)劃”我國將在2030年前后發(fā)射三顆衛(wèi)星組成的引力波探測衛(wèi)星組，用激光干涉方法進(jìn)行中低頻波段引力波的直接探測。“太極計(jì)劃”的主要科學(xué)目標(biāo)是觀測雙黑洞并合和極大質(zhì)量比天體并合時產(chǎn)生的引力波輻射，以及其他的宇宙引力波輻射過程。

我國目前的技術(shù)能力與國際先進(jìn)水平還有一定的差距，這種差距可以通過良好的國際合作得到一定的彌補(bǔ)，“太極計(jì)劃”提出的正是中歐合作的國際合作計(jì)劃，它有兩個方案。

方案一是參加歐洲空間局的eLISA雙邊合作計(jì)劃，今年秋天將召開第三次雙方科學(xué)家會議，完成雙邊合作的可行性報告，然后各自向主管部門呈報，由雙方主管部門審批后執(zhí)行。國際上很希望能有二組空間引力波探測系統(tǒng)同時進(jìn)行空間探測，彼此驗(yàn)證。

方案二是發(fā)射中國的引力波探測衛(wèi)星組，與2035年左右發(fā)射的eLISA衛(wèi)星組同時遨游太空，進(jìn)行低頻引力波探測。方案二擬于2033年前后發(fā)射，實(shí)現(xiàn)我國大型先進(jìn)科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃的突破。屆時，中國衛(wèi)星組與eLISA衛(wèi)星組同時在空間獨(dú)立進(jìn)行引力波探測，互相補(bǔ)充和檢驗(yàn)測量結(jié)果，我國將成為國際上空間引力波研究最重要基地之一。

對于日前備受關(guān)注的中山大學(xué)發(fā)起“天琴計(jì)劃”，胡文瑞院士表示，“天琴計(jì)劃”不僅僅是引力波觀測，還包括地球重力測量等其他觀測內(nèi)容，對引力波的觀測在地球軌道。而空間“太極計(jì)劃”由中國科學(xué)院發(fā)起，計(jì)劃專注于觀測中低頻段的引力波，觀測軌道在太陽軌道，實(shí)現(xiàn)多維觀測引力波。