發現引力波：聆聽宇宙之聲

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發現引力波：聆聽宇宙之聲

這是一場跨越百年的接力。

從愛因斯坦偉大的預言，到一代又一代科學家矢志不渝的求索，2月11日，當“引力波”這三個字，以核裂變般的速度引爆全球，全世界都在為這扇探索宇宙新窗口的開啟而歡欣鼓舞。

愛因斯坦又對了！在這位大科學家提出引力波的預言百年之后，美國加州理工學院、麻省理工學院以及美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）的研究人員宣布，他們利用LIGO探測器于2015年9月14日探測到來自于兩個黑洞合并的引力波信號。

引力波是一種時空漣漪，如同石頭被丟進水里產生的波紋一樣。黑洞、中子星等天體在碰撞過程中有可能產生引力波。100年前，愛因斯坦的廣義相對論預言了引力波的存在。廣義相對論的其他預言如光線的彎曲、水星近日點進動以及引力紅移效應都已獲證實，唯有引力波一直徘徊在科學家的“視線”之外。如今，愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最后一塊缺失的“拼圖”被補上了。它的發現是物理學界里程碑式的重大成果。

我們能“聽見”宇宙了

“女士們、先生們，我們已經探測到引力波，我們找到它了。”LIGO執行主任戴維·賴茨2月11日在華盛頓舉行的記者會上宣布。

在一片嘈雜的背景噪音中，一聲“噗”的清脆聲響，如水滴落水，持續時間不到1秒，這正是由引力波轉化成的宇宙之聲。在記者會上，LIGO科學家現場播放了來自宇宙的“聲音”。

“我們能‘聽見’引力波，我們能‘聽見’宇宙，這是引力波最美妙的事件之一。我們不僅將‘看見’宇宙，我們還將‘傾聽’它。”LIGO項目組發言人、路易斯安那州立大學物理學家加布里埃拉·岡薩雷斯介紹。

來自加州理工學院的賴茨把尋找引力波比作科學上的登月項目。“我們做到了，我們登上了這個‘月球’。”他興奮地說。

“我相信愛因斯坦看到今天的結果，一定也會嚇一跳，”LIGO科學合作組織研究成員之一、加州理工學院物理學教授陳雁北說，“盡管他會因自己在廣義相對論、量子力學、激光等多個領域的貢獻感到欣慰，但百年來物理學已獲得前所未有的發展。對于人類今天的成就，愛因斯坦一定無法想象。”

愛因斯坦百年前預言引力波存在，但也曾認為，由于引力波太過微弱，它無法被探測到。參與LIGO項目的澳大利亞墨爾本大學研究員孫翎說：“我們證明了愛因斯坦的正確，另一方面他也說錯了，我們真的探測到了。”

是誰“聽到”了13億年前那聲響

13億年前，兩個恒星量級黑洞撞到了一起。

大約3倍于太陽質量的物質，在不到1秒的時間內，被轉化為引力波。這在時空中激蕩起的漣漪，以光的速度向外擴散。

黑洞合并的交響曲已經奏響，只是它幾乎無聲無息，混雜于所有噪聲中。

100年前，物理學家愛因斯坦做出了關于引力波的預言。時空告訴物質如何運動，物質引導時空如何彎曲。當物質在時間的“水面”運動，水波便會蕩開。但他又說，在所有能想得到的情況下，引力波的輻射都可以被忽略。

有多小呢？當一列引力波向你走來，你便會經歷一個忽高忽矮、忽胖忽瘦的神奇過程。但是這樣的一個變化幅度，大概為一個氫原子的五百億分之一那么微小。

不過人類并未因此放棄探測引力波。

追尋的征程

實驗物理學家約瑟夫·韋伯用共振法尋找引力波，他自己發明了一種鋁制圓筒作為探測工具。上世紀60年代末，他宣稱引力波撞擊了這一探測器。但他的實驗結果從未再現，又無法解釋，因此未獲認同。

又是幾年過去，1974年，兩位科學家發現了一對脈沖雙星。這個星體由兩個在近距離軌道里相互纏繞的中子星組成，而且以愛因斯坦預測的速度螺旋式向內靠攏——這是引力波存在的間接證據！神秘的引力波，現出了一個朦朧身影。

可是還不夠。20世紀90年代起，在世界各地，一批大型激光干涉引力波探測器開始籌建。它們是人類用來捕捉引力波音符的耳朵。

17年前，LIGO在美國初步建成，它是美國分別在路易斯安那州利文斯頓市與華盛頓州小城漢福德市建造的兩個引力波探測器。2005年至2007年間，LIGO進行過一次升級改造。升級后的LIGO于2009年7月重啟，直到2010年10月結束，但未能探測到引力波存在的可靠證據。2010年，LIGO開始對探測器進行升級。2015年9月，靈敏度提升了十倍的升級版LIGO整裝再出發。長臂中的激光再次不知疲倦反復奔跑，等待著引力波降臨，那個神奇的干涉圖紋的出現。

LIGO如何“聽到”引力波

LIGO系統由相距1865英里（約3000公里）的兩個完全相同的探測器組成。每個探測器包含由兩個長度為4公里的L形真空管。科學家們通過真空管來發射激光束。每束激光到達真空管末端后，會被鏡面反射，并沿相反路線返回。在同等條件下，兩束激光應該在完全相同的時間抵達源頭，由于干涉作用，光線不會抵達光電探測器。而一旦有引力波穿過探測器，根據愛因斯坦100年前的預測，會使兩個真空管中的空間出現極其微小的拉伸與壓縮，從而破壞了原有的完美平衡，使光線外泄到光電探測器上。

建造LIGO最難，也是LIGO最厲害的地方在于：整個探測器都需要根據地球曲率校正設計建成，盡可能避免來自地表震動的干擾；為減少大氣和污染物對激光運行的干擾，還要將其置于真空之中。為確保數據準確，開機后兩臺探測器必須不間斷地記錄結果，任何一個小數據都不能遺漏。

有人打了一個比方來形容LIGO所能達到的精度——LIGO能在1公里的長度上找到小于原子核半徑一萬倍的空間變化。

美國東部時間2015年9月14日5時51分，位于利文斯頓的探測器首先傳出撞擊聲，7毫秒后，漢福德的探測器也傳出撞擊聲。這意味著有引力波傳到了地球，并被兩個探測器探測到。

LIGO項目組稱，基于觀測到的信號，此次探測到的引力波是由兩個黑洞合并引發的。這兩個黑洞的直徑都在150公里左右，質量分別是太陽質量的29倍和36倍，合并后的總質量是62個太陽質量，3個太陽質量的能量以引力波的形式在不到1秒的時間內釋放，釋放的峰值能量比整個可見宇宙釋放的能量還要高出約50倍。據推測，兩個黑洞的合并發生在13億年前，它們不斷靠近，旋轉，并最終合并成一個黑洞。合并過程中產生的引力波經漫長的傳播最終抵達地球。

引力波探測的中國足跡

百年來，引力波的身影總是顯得“虛無縹緲”，但在這個頂級世界難題的漫長求索中，中國科學家從未放棄過自己的努力。這一次，當我們在多達1004位作者的龐大署名中，發現3個屬于中國科學家的名字時，我們還應記取另外一些閃耀在引力波“捕獲”之路上的中國科學家的身影。

研究始于四十年前

早在20世紀70年代，中國科學家就開始了引力波研究。

中山大學是國內引力波研究的先行者，該校相關負責人還原了這段中國人向世界難題發起沖擊的歷史：“1973年，中科院的王祝翔、秦榮先等人前往廣州，商討中科院高能所和中山大學合作引力波符合探測研究的事宜，得到中大及物理系教授陳嘉言等人的大力支持。1976年，國家科委和教育部決定把這項研究定為國家重點研究項目。”

老一輩科學家的探索不久之后就收獲了碩果。

1979年7月，第二屆格拉斯曼廣義相對論國際會議在意大利舉行。陳嘉言因為在引力波研究方面的貢獻，被聘為會議顧問委員會委員。在會上，陳嘉言作了《北京—廣州引力波探測進展》的報告，這是中國的引力波研究第一次被國際社會所認可。

兩個月后，中國引力與相對論天體物理學會在廣州成立，許多老一輩的著名科學家如錢三強、周培源參加了學會，中科院學部委員北京大學胡寧教授為理事長，陳嘉言當選為副理事長。此后，中國引力波研究的捷報頻傳。

1980年初，常溫共振型引力波探測器完成組裝。

1981年6月，常溫引力波探測系統開始實驗性運行，測出和記錄了天線的熱噪聲，得出了理論靈敏度同實測靈敏度一致的結果。

1982年1月，陳嘉言應邀到西澳大利亞大學訪問并作學術報告，受到當地華僑組織歡迎，這也是中國科學界首次到當地訪問。

但遺憾也隨之而來。1982年4 月9日，陳嘉言工作時不幸在真空罐中觸電殉職，終年46歲。在他離世后，由于人才隊伍接續等問題，中國的引力波研究停滯了十多年。直到2008年，在中科院力學所國家微重力實驗室胡文瑞院士的推動下成立了空間引力波探測工作組，引力波的中國研究才再啟征程。

融入世界“協同作戰”的中國團隊

令人欣喜的是，盡管有一段空白歷史，但在這次至關重要的“捕獲”中，中國科學家并未缺位。憑借高精度的數據分析能力，中國科學家“凈化”了引力波探測中的干擾信號，與全世界頂尖科學家“協同作戰”，共同開啟了全新的天文時代。

清華大學信息技術研究院研究員、LSC理事會成員曹軍威正是這支“凈化之軍”的負責人。2004年至2006年，在美國麻省理工學院空間研究中心工作的曹軍威便參與了引力波數據計算和分析的工作。在這期間，他時刻關注著LIGO的工作動態。“國內研究團隊不應該在這樣的頂級研究領域落后。”2006年回國后，曹軍威組織創建了清華LIGO工作組，由來自信研院、自動化系、計算機系和工程物理系的教師和學生組成。他們采用先進計算技術提高引力波數據分析的速度和效率，也逐漸得到了國際同行的認可。2009年，清華大學被LIGO科學合作組織（LSC）接受為正式成員，也是目前中國大陸唯一的LSC成員。

“這次發現的確美妙和激動人心，但日常工作中的海量數據分析并不總是令人愉快。”曹軍威介紹，LIGO數據的采樣頻率特別高，達到每秒1.6萬次以上，采樣信道達上萬個，數據量大，需要先進的計算機處理技術做支撐。而對于這樣的海量處理，需要的是“坐穿板凳”的沉潛定力。“漫長的時間里，LIGO探測器并沒有達到設計精度，是探測不到真正的引力波信號的，可以認為實際大家在處理的全都是噪聲，可就是在對這些噪聲的一點一滴的處理中不斷積累經驗，不斷提升儀器的精度，才有了今天的探測靈敏度。”曹軍威如是說。

郭翔宇是清華計算機系高性能計算所的碩士研究生，也是清華LIGO工作組中一名普通科研人員。他每天的科研任務，就是讓引力波數據分析處理的過程更有效率。“每周我們都要與西澳大利亞大學的項目組成員跨洋討論，一年多來，我在先前的基礎上，將探測器GPU的信息處理速度從原有的58倍提升到了120倍以上。”郭翔宇說。

開啟中國本土的引力波探測

“目前，我國主要有兩大引力波探測項目：中科院高能所主導的‘阿里實驗計劃’和中山大學領銜的‘天琴計劃’。一個是在地面上聆聽引力波的音符，一個是到太空去捕捉引力波的聲響。”2月13日，中國科學院高能物理研究所在其官方微博上發布了上述內容。這意味著，在積極融入頂尖課題的世界協同作戰之余，中國科學家也同時開啟了新一輪的本土沖擊。

來自科技部的消息顯示，致力于“在地面聆聽引力波音符”的中科院國家天文臺阿里觀測站位于西藏阿里獅泉河鎮以南海拔5100米的山脊，海拔高、云量少、水汽低、透明度高。它的選址工作在國家天文臺相關研究人員的帶領下，持續長達10年，已成為天文臺選址工作的典范。建成后，其地理上的中緯度范圍、對天區的廣闊覆蓋，有望填補北半球觀測宇宙微波背景輻射的空白。

而立志“到太空去捕捉引力波的聲響”的“天琴計劃”則由中山大學于2015年7月23日牽頭啟動，主要是以引力波研究為中心，開展空間引力波探測計劃任務的預先研究，制定中國空間引力波探測計劃的實施方案和路線圖，并開展關鍵技術研究。中山大學相關負責人介紹，該計劃主要將分四階段實施，大約需要20年，投資150億元。

“探測到引力波只是剛剛開始，并非結束，我們非常需要中國科學家的努力。”LIGO數據分析專家、加州理工學院物理系教授艾倫·魏因施泰對中國科學家的努力充滿期待。

曹軍威始終認為，作為最前沿、最頂尖的科學探索之一，如引力波探測般的世界頂級課題必定是一次全球智慧的協作與“眾包”，而自己的團隊正是這個“特大集成研究項目”中的一環。他總結了三個引力波探測的特點：投資規模大、多學科交叉、國際緊密合作。“這樣規模的科學探索遠超出某個單一學科的范疇，也超出某一個研究小組、一個大學或研究機構，甚至一個國家的能力，必須是物理、天文、機械、激光、精密儀器、信息等方方面面的專家共同參與，在全球范圍聯合攻關。”

中山大學天文與空間科學研究院院長李淼認為：“引力波的發現，會進一步刺激各國的研究進度，世界各地的引力波研究計劃將很快推進，中國本土研究的進展也會加快。”

這進步背后，除了對基礎科學投入的重視，還要有一種摒棄功利的、廣闊的人類意識。當人類共同走進“引力波”時代，這一激動人心的發現所帶給我們的啟示，對中國科學界似乎同樣極具價值。（本刊綜合）※