引力波時(shí)代來(lái)臨，愛(ài)因斯坦又贏了一次

謝頓

就在前不久，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)引力波的新聞刷屏了，這種超越人類經(jīng)驗(yàn)的存在，卻被人類認(rèn)知，難怪引得眾人圍觀。英國(guó)天文物理學(xué)家史蒂芬·霍金認(rèn)為這是科學(xué)史上重要的一刻，引力波提供觀測(cè)宇宙的嶄新方式，有可能使天文學(xué)發(fā)生革命性的變化，

在愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的預(yù)言中，引力波可產(chǎn)生于大質(zhì)量天體事件（如黑洞合并、脈沖星自轉(zhuǎn)以及超新星爆發(fā)等）中，以光速傳播，如同石頭丟進(jìn)水里產(chǎn)生的波紋一樣，數(shù)十年內(nèi)辯學(xué)家一直在尋找引力波，但都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，直到北京時(shí)間2016年2月11日，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）、加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院以及LIGO科學(xué)合作組織的科學(xué)家在華盛頓特區(qū)國(guó)家媒體中心宣布人類首次直接探測(cè)到了引力波，這個(gè)發(fā)現(xiàn)也應(yīng)了愛(ài)因斯坦100年前的預(yù)言，事實(shí)證明，他又贏了一次！

來(lái)自13億光年外緣于宇宙黑洞

發(fā)現(xiàn)引力波的是LIGO激光干涉引力波天文臺(tái)，兩個(gè)LIGO探測(cè)器中都觀測(cè)到黑洞合并產(chǎn)生的引力波，并且繪制出隨時(shí)間和頻率變化的引力波強(qiáng)度曲線。GW150914引力波事件在0.2秒內(nèi)于35Hz到250Hz頻率之間出現(xiàn)，兩個(gè)探測(cè)器在前后7毫秒的時(shí)間內(nèi)相繼探測(cè)到。7毫秒這個(gè)時(shí)間差符合光速在兩個(gè)探測(cè)器之間傳播的時(shí)間。

有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，本次觀測(cè)到的GW150914引力波事件來(lái)自13億光年之外黑洞合并，一個(gè)黑洞質(zhì)量相當(dāng)于太陽(yáng)質(zhì)量的29倍，另一個(gè)黑洞質(zhì)量相當(dāng)于太陽(yáng)質(zhì)量的36倍，如果確切地說(shuō)，均屬于恒星級(jí)黑洞?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)兩個(gè)黑洞的合并發(fā)生在13億年前，其產(chǎn)生的引力波能量相當(dāng)于損失了3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量轉(zhuǎn)換，由此產(chǎn)生的引力波在今天終于抵達(dá)地球，而且被位于路易斯安那州利文斯頓和華盛頓州漢福德之間的L型引力波探測(cè)裝置捕捉到。

麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授雷納·維斯發(fā)現(xiàn)，13億光年外的兩個(gè)黑洞合并時(shí)碰撞的速度相當(dāng)于光速一半，損失的3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量全部以引力波的形式釋放。由此看出，引力波可攜帶大量宇宙信息，如果我們能夠深入了解引力波，就可以發(fā)現(xiàn)更多的宇宙奧秘。

為一窺宇宙初生LIGO立了大功

本次發(fā)現(xiàn)引力波的是美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)（英文簡(jiǎn)稱LIGO），建于1999年，當(dāng)時(shí)的造價(jià)為4億美元。其探測(cè)引力波的原理也非常簡(jiǎn)單，利用L型、4千米長(zhǎng)的測(cè)量臂中嵌入反射鏡面，激光則在反射鏡中來(lái)回反射，如果發(fā)現(xiàn)引力波，那么建立在邁克耳遜干涉儀原理之上的干涉條紋就會(huì)發(fā)生變化。

事實(shí)上，探測(cè)引力波的關(guān)鍵在于我們能夠造出測(cè)量精度極高的裝置，最早設(shè)計(jì)引力波探測(cè)裝置的科學(xué)家是韋伯。他在1950年代設(shè)計(jì)了振棒探測(cè)器，其結(jié)構(gòu)甚為粗糙，利用質(zhì)量接近一噸的圓柱形鋁棒來(lái)尋找引力波。顯然這樣的設(shè)計(jì)無(wú)法探測(cè)到引力波，但還是開(kāi)創(chuàng)了尋找引力波的先河。如今除了激光干涉引力波天文臺(tái)，還有諸如LISA探路者航天器這樣的引力波探測(cè)器，在軌道上探測(cè)引力波。隸屬于美國(guó)國(guó)家航空航天局、歐洲空間局的LISA定點(diǎn)在拉格朗日點(diǎn)L1上，由3個(gè)探測(cè)器構(gòu)成一個(gè)邊長(zhǎng)為500萬(wàn)千米的等邊三角形，每個(gè)航天器之間的夾角為60°。激光在3個(gè)探測(cè)器中進(jìn)行反射，全程耗時(shí)要16秒，航天器上的核心裝置為一個(gè)2千克的金鉑合金立方體，垂直放置，一旦引力波穿過(guò)干涉裝置，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)激光相位的變化，由此發(fā)現(xiàn)引力波。

目前探測(cè)引力波的裝置基本原理相互接近，而LIGO激光干涉引力波天文臺(tái)率先發(fā)現(xiàn)引力波，與該天文臺(tái)堅(jiān)持不懈升級(jí)和研究小組持續(xù)觀測(cè)是分不開(kāi)的。

100年后，我們撬開(kāi)了引力波世界的一角

1915年，愛(ài)因斯坦創(chuàng)造性地提出：“引力的本質(zhì)是時(shí)空幾何在物質(zhì)影響下的彎曲?！比缃裨诎l(fā)現(xiàn)了引力波之后，再來(lái)看這句話，讓人不禁贊嘆愛(ài)因斯坦的偉大。當(dāng)初，愛(ài)因斯坦提出“引力的作用以波動(dòng)的形式傳播”理論，100年后我們終于抓到了這個(gè)“低調(diào)的”波，或許我們只是撬開(kāi)了引力波世界的一個(gè)小角，但卻可能因此獲得前所未有的收獲。

我們甚至可以看到宇宙大爆炸時(shí)期初期宇宙的遺跡、看到其一些最大的能量事件，由此來(lái)研究宇宙中的黑洞行為。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)負(fù)責(zé)人柯多瓦指出，發(fā)現(xiàn)引力波的意義如同伽利略首度把他的望眼鏡指向天空，這項(xiàng)對(duì)天空的新觀測(cè)，將會(huì)加深我們對(duì)宇宙的理解，引發(fā)超乎預(yù)料的發(fā)現(xiàn)。

引力波的發(fā)現(xiàn)也讓基普·索恩著迷，這位理論物理學(xué)家曾經(jīng)指導(dǎo)過(guò)《星際穿越》中的黑洞特效，以最貼近實(shí)際的角度向公眾展示黑洞的可能外觀。基普·索恩認(rèn)為通過(guò)這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)人類開(kāi)啟了一場(chǎng)波瀾壯闊的新旅程，黑洞的碰撞和引力波的觀測(cè)正是這個(gè)旅程中第一個(gè)完美的范例。泰勒和赫爾斯兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)脈沖星雙星系統(tǒng)PSR1913+16的間接引力波事件，只不過(guò)這是間接發(fā)現(xiàn)引力波，他們由此獲得了1993年的諾貝爾獎(jiǎng)，由此推測(cè)，本次引力波的發(fā)現(xiàn)或許已經(jīng)把諾貝爾獎(jiǎng)的得主確定了下來(lái)。

聆聽(tīng)宇宙之聲

中國(guó)“天琴計(jì)劃”令人期待

除了西方國(guó)家已經(jīng)建成的引力波探測(cè)裝置之外，中國(guó)也有相關(guān)的引力波探測(cè)計(jì)劃。中國(guó)本土引力波探測(cè)工程來(lái)自中山大學(xué)的“天琴計(jì)劃”，2月21日中山大學(xué)推進(jìn)實(shí)施“天琴計(jì)劃”研討會(huì)并發(fā)布其實(shí)施路線圖“0123計(jì)劃”，該計(jì)劃將用15年至20年的時(shí)間發(fā)射衛(wèi)星上天。由此看出，中國(guó)的“天琴計(jì)劃”是天基引力波探測(cè)裝置，由3顆全同衛(wèi)星組成一個(gè)等邊三角形陣列，衛(wèi)星之間以激光精確測(cè)量由引力波造成的距離變化，主要針對(duì)白矮星雙星系統(tǒng)RXJ0806.3+1527所產(chǎn)生的引力波。

“天琴計(jì)劃”與LISA探路者航天器的測(cè)量方式有些類似，都是用3個(gè)航天器組成觀測(cè)陣列，形成等邊三角形。中國(guó)科學(xué)院院士羅俊表示與美國(guó)的激光干涉引力波天文臺(tái)相比，“天琴計(jì)劃”引力波探測(cè)會(huì)有光學(xué)輔助手段，此外與LIGO探測(cè)到的短時(shí)間的爆發(fā)型引力波不同，“天琴”探測(cè)的低頻段的連續(xù)型引力波，可以持續(xù)驗(yàn)證。

（責(zé)任編輯：司明婧 責(zé)任校對(duì)：曹偉）