引力波時代來臨，愛因斯坦又贏了一次

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)驗的存在，卻被人類認知，難怪引得眾人圍觀。英國天文物理學(xué)家史蒂芬·霍金認為這是科學(xué)史上重要的一刻，引力波提供觀測宇宙的嶄新方式，有可能使天文學(xué)發(fā)生革命性的變化，

在愛因斯坦廣義相對論的預(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，但都沒有發(fā)現(xiàn)，直到北京時間2016年2月11日，美國國家科學(xué)基金會（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)國家媒體中心宣布人類首次直接探測到了引力波，這個發(fā)現(xiàn)也應(yīng)了愛因斯坦100年前的預(yù)言，事實證明，他又贏了一次！

來自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，兩個LIGO探測器中都觀測到黑洞合并產(chǎn)生的引力波，并且繪制出隨時間和頻率變化的引力波強度曲線。GW150914引力波事件在0.2秒內(nèi)于35Hz到250Hz頻率之間出現(xiàn)，兩個探測器在前后7毫秒的時間內(nèi)相繼探測到。7毫秒這個時間差符合光速在兩個探測器之間傳播的時間。

有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，本次觀測到的GW150914引力波事件來自13億光年之外黑洞合并，一個黑洞質(zhì)量相當(dāng)于太陽質(zhì)量的29倍，另一個黑洞質(zhì)量相當(dāng)于太陽質(zhì)量的36倍，如果確切地說，均屬于恒星級黑洞。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)兩個黑洞的合并發(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個太陽質(zhì)量轉(zhuǎn)換，由此產(chǎn)生的引力波在今天終于抵達地球，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)，13億光年外的兩個黑洞合并時碰撞的速度相當(dāng)于光速一半，損失的3個太陽質(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)引力波的是美國激光干涉引力波天文臺（英文簡稱LIGO），建于1999年，當(dāng)時的造價為4億美元。其探測引力波的原理也非常簡單，利用L型、4千米長的測量臂中嵌入反射鏡面，激光則在反射鏡中來回反射，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發(fā)生變化。

事實上，探測引力波的關(guān)鍵在于我們能夠造出測量精度極高的裝置，最早設(shè)計引力波探測裝置的科學(xué)家是韋伯。他在1950年代設(shè)計了振棒探測器，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尋找引力波。顯然這樣的設(shè)計無法探測到引力波，但還是開創(chuàng)了尋找引力波的先河。如今除了激光干涉引力波天文臺，還有諸如LISA探路者航天器這樣的引力波探測器，在軌道上探測引力波。隸屬于美國國家航空航天局、歐洲空間局的LISA定點在拉格朗日點L1上，由3個探測器構(gòu)成一個邊長為500萬千米的等邊三角形，每個航天器之間的夾角為60°。激光在3個探測器中進行反射，全程耗時要16秒，航天器上的核心裝置為一個2千克的金鉑合金立方體，垂直放置，一旦引力波穿過干涉裝置，我們就會發(fā)現(xiàn)激光相位的變化，由此發(fā)現(xiàn)引力波。

目前探測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率先發(fā)現(xiàn)引力波，與該天文臺堅持不懈升級和研究小組持續(xù)觀測是分不開的。

100年后，我們撬開了引力波世界的一角

1915年，愛因斯坦創(chuàng)造性地提出：“引力的本質(zhì)是時空幾何在物質(zhì)影響下的彎曲。”如今在發(fā)現(xiàn)了引力波之后，再來看這句話，讓人不禁贊嘆愛因斯坦的偉大。當(dāng)初，愛因斯坦提出“引力的作用以波動的形式傳播”理論，100年后我們終于抓到了這個“低調(diào)的”波，或許我們只是撬開了引力波世界的一個小角，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期初期宇宙的遺跡、看到其一些最大的能量事件，由此來研究宇宙中的黑洞行為。美國國家科學(xué)基金會負責(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)。

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《星際穿越》中的黑洞特效，以最貼近實際的角度向公眾展示黑洞的可能外觀。基普·索恩認為通過這項發(fā)現(xiàn)人類開啟了一場波瀾壯闊的新旅程，黑洞的碰撞和引力波的觀測正是這個旅程中第一個完美的范例。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，由此推測，本次引力波的發(fā)現(xiàn)或許已經(jīng)把諾貝爾獎的得主確定了下來。

聆聽宇宙之聲

中國“天琴計劃”令人期待

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

“天琴計劃”與LISA探路者航天器的測量方式有些類似，都是用3個航天器組成觀測陣列，形成等邊三角形。中國科學(xué)院院士羅俊表示與美國的激光干涉引力波天文臺相比，“天琴計劃”引力波探測會有光學(xué)輔助手段，此外與LIGO探測到的短時間的爆發(fā)型引力波不同，“天琴”探測的低頻段的連續(xù)型引力波，可以持續(xù)驗證。

（責(zé)任編輯：司明婧 責(zé)任校對：曹偉）