引力波大事件與校長的信

不管時代的潮流和社會的風尚怎樣，人總可以憑著自己高貴的品質，超脫時代和社會，走正確的道路?，F(xiàn)在，大家都為了電冰箱、汽車、房子而奔波、追逐、競爭。這是我們這個時代的特征了。但是也還有不少人，他們不追求這些物質的東西，他們追求理想和真理，得到了內心的自由和安寧。 ——愛因斯坦 寫于1946年

1915年，愛因斯坦發(fā)表廣義相對論論文，革新了自牛頓以來的引力觀和時空觀，創(chuàng)造性地論證了引力的本質是時空幾何在物質影響下的彎曲。1916年，愛因斯坦在廣義相對論的框架內，又發(fā)表論文論證了引力的作用以波動的形式傳播。

因為引力波的效果極其微弱，100年前的愛因斯坦認為引力波在任何能想象的情況下都可以忽略。50年以前，實驗物理學家Joe Weber勇敢地開拓了引力波探測的先河。40年前，天文學家Hulse和Taylor發(fā)現(xiàn)了脈沖雙星、間接證實了引力波的存在。25年前，物理學家Drever， Thorne和Weiss在美國國家科學基金的資助下開始建造激光干涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，LIGO）。 2016年2月11日，美國的LIGO和歐洲的VIRGO引力波探測器聯(lián)合發(fā)布消息，宣布已經探測到距離地球約13億光年的兩個大約30個太陽質量的黑洞碰撞所發(fā)出的引力波。

在這個讓物理學家50年來望眼欲穿的、持續(xù)時間不到一秒鐘的事件（發(fā)生在2015年9月14日，科學家把這個人類直接探測到的首個引力波信號編為GW150914）中，4對在真空中相距4公里的40千克的玻璃鏡子，以原子核尺寸千分之一大小的振幅振動了十幾次。這樣微乎其微的振動，被打在這些鏡子上的100千瓦的激光讀出，讓人類第一次“近距離的接觸”了黑洞。這一信號證實了廣義相對論的重要預言——宇宙中存在雙黑洞系統(tǒng)，它們可能并合成一個更大的黑洞。黑洞不再是科幻作品中的神奇物體，不再躲在高溫磁化的等離子體后面，也不再穩(wěn)穩(wěn)地坐在星系中央。這次，我們實實在在的觀察到了黑洞附近時間和空間的高度扭曲和脈動。引力波探測的成功，為人類觀察宇宙提供了一個嶄新的窗口。

高新激光干涉儀引力波天文臺（Advanced LIGO）的項目領頭人，來自麻省理工的戴維?休梅克在LIGO科學合作組織（LSC）的官方新聞稿的結語中說，“Advanced LIGO探測器是科學與技術上的一項壯舉，匯聚了全球技師、工程師和科學家團隊的通力合作才得以實現(xiàn)。”

這一科學史上又一激動全人類事件發(fā)生后，麻省理工學院校長L. Rafael Reif給全校師生寫了一封郵件，內容如下：

麻省理工學院校園全體成員：

2月11日上午10點30分，麻省理工學院、加州理工學院以及美國國家科學基金在華盛頓特區(qū)將進行物理學界的一次歷史性發(fā)布：人類首次直接探測到引力波，Albert Einstein（阿爾伯特?愛因斯坦）百年前預見的一種時空干擾波。

你也許會去現(xiàn)場觀看這一發(fā)布。在美國國家科學基金發(fā)布會后，你也可觀看我們校園的發(fā)布活動。你也可以在學院官方網站上閱讀到關于這一發(fā)現(xiàn)的綜述，以及對麻省理工學院教授Emeritus Rainer Weiss的專訪，他是LIGO（激光干涉引力波觀測站）的倡導者和領導者。

基礎科學的美麗和力量通常而言，不管多么令人印象深刻，我不會給全校致信祝賀某個人的研究成果。我們校區(qū)一直都在推出重要的科研成果。但我要鼓勵你們去思考今天的發(fā)布，因為它在一個廣袤的背景上展示了，對這個科學問題人類為什么要探索，如何探索，以及為什么至關重要。

今天的新聞至少包括兩個重要的故事：

首先是科學告訴我們：憑藉廣義相對論，愛因斯坦準確地預測了引力波的存在，它是從宇宙中某個引力極其強大的地方旅行到我們這里的時空漣漪。這些漣漪信號是不可察覺地微弱。直到不久前，它們也無法被直接觀察到。但因為LIGO成功檢測到了這些微弱的信號——從兩個黑洞相撞成為一個更大的黑洞——我們有了確鑿證據(jù)，這個系統(tǒng)的活動正如愛因斯坦所預言。

即使是最先進的望遠鏡也依賴于光，所以我們不能看到這壯觀的碰撞，因為我們一直認為，黑洞不會發(fā)出任何光。然而，憑借LIGO的儀器，我們現(xiàn)在有“耳朵”可以聽到。配備這種新感官，LIGO的團隊發(fā)現(xiàn)和記錄了一個關于大自然的、迄今未被發(fā)現(xiàn)的基本事實。但他們利用這個新工具的探險才剛剛開始。這就是為什么人類要從事科學！

第二個故事是關于人類的成就。它始于愛因斯坦：一種廣闊的人類意識，可以形成一個超越當時實驗能力的概念，而他的后人用了一百年，發(fā)明工具，證明了其有效性。

這個故事可以推廣到Rai Weiss和其合作者的科學創(chuàng)造力和無比的毅力。數(shù)十年來，在技術可能性的邊緣，不計成敗，Rai Weiss領導一個全球合作的團隊，最終將一個光輝的思想實驗轉變成一個科學發(fā)現(xiàn)的勝利。

這個敘事中的重要角色還包括數(shù)十名外圍科學家，也包括美國國家科學基金會管理者，他們在過去幾十年中，系統(tǒng)地評估了這一雄心勃勃項目的意義，決定了予以大量投資。最后的篇章也包括LIGO團隊，精心地將這些發(fā)現(xiàn)展示在物理學界面前。通過嚴謹分析和同行評審出版的一步步莊重過程，令我們滿懷信心分享這一喜訊——而且開創(chuàng)了一個探索的新前沿。

在麻省理工學院這樣的地方，有太多人正在參與解決現(xiàn)實世界的問題，我們有時會以實用的附帶產品來檢驗國家的基礎科學投資是否物有所值。但在這個案例中，這幾乎是不相關的。當然，個中也有立即有用的“成果”：LIGO一直以來是數(shù)千大學生和數(shù)百博士生艱苦的訓練場——其中兩人已經正式擔任我校的教職。

更重要的是，LIGO團隊的技術創(chuàng)新，以及創(chuàng)造性使用其他領域的工具，產生了前所未有的精密儀器。正如我們在麻省理工學院所熟知的，人類無法抗拒一個新工具的誘惑。LIGO技術將進一步完善和發(fā)展，“回報”的方式未可限量。關注其發(fā)展十分有意義。

我們今天慶祝的發(fā)現(xiàn)體現(xiàn)了基礎科學的悖論：它是辛苦的、嚴謹?shù)暮途徛模质钦鸷承缘?、革命性的和催化性的。沒有基礎科學，最好的設想就無法得到改進，“創(chuàng)新”只能是小打小鬧。只有隨著基礎科學的進步，社會也才能進步。

麻省理工學院校園具備如此不凡的條件，能欣賞這一成就的美麗和意義，并敞開進一步成就的機會。我為自己屬于這個校區(qū)的一員而自豪和榮幸。

謹致振奮與贊嘆！

TIPS：

世界各國的大型引力波探測器

在美國的LIGO計劃開始之后，歐洲也開始進行引力波探測計劃。目前，比較大型的探測器是由英國和德國合作，在德國Hannover附近建造的GEO 600探測器，以及由法國和意大利合作，在意大利Pisa附近的VIRGO探測器。GEO 600探測器的壁長是600米，而VIRGO的臂長是3000米。相比之下，VIRGO的造價和性能都遠高于GEO 600，而和LIGO相當。

最近，日本也開始建造大型的KaGRA引力波探測器。早年，在日本有一個TAMA300探測器，位于東京附近的三鷹市，在日本的國家天文臺院內，臂長300米。日本科學家多年來一直致力于推動大型引力波探測，這個KaGRA項目終于在2008年立項。目前，這個探測器的建設已經基本完成，進入了調試階段。

前些年，印度也開始加入了引力波探測的行列。LIGO實驗室和印度引力波物理學界已經達成協(xié)議，計劃把LIGO的一部分實驗設備運往印度，并在印度開設一個LIGO-India的引力波觀測站。

中國：天琴計劃。中山大學的羅俊院士，是中國引力物理界的領軍人物。他對引力常數(shù)的測量，引力定律的檢驗的研究，都處于世界的前沿。羅院士的團隊最近提出的“天琴計劃”，是在空間中測量引力波?？臻g中，我們可以測量頻率更低的引力波。一方面，可以從側面驗證LIGO引力波源、引力波傳播的性質，另外一方面，也可能探測到大質量甚至超大質量的黑洞。