“捕捉”引力波

萬(wàn)物之初是什么樣子？宇宙從何而來(lái)？在宇宙膨脹的過(guò)程中，暗物質(zhì)和暗能量扮演了什么樣的角色？……數(shù)百年來(lái)，這些問(wèn)題始終困擾著科學(xué)家和哲學(xué)家們。根據(jù)20世紀(jì)80年代逐漸發(fā)展起來(lái)的大爆炸宇宙論，140億年前，宇宙曾經(jīng)發(fā)生一次大爆炸，之后10～35秒的時(shí)間內(nèi)，宇宙以指數(shù)速度繼續(xù)膨脹，經(jīng)歷這個(gè)過(guò)程后形成了宇宙的初始形態(tài)，留下了“原初引力波”（即宇宙大爆炸最初產(chǎn)生的引力波）。

引力波是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的重要預(yù)言之一。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，引力波是物質(zhì)和能量在劇烈運(yùn)動(dòng)下產(chǎn)生的時(shí)空變化。如果用水面比喻時(shí)空，那么引力波可以看作時(shí)空的漣漪。

在天文學(xué)數(shù)百年的發(fā)展過(guò)程中，人們觀測(cè)宇宙的主要手段是觀測(cè)光。而根據(jù)宇宙大爆炸理論，大爆炸之后約40萬(wàn)年，光子、電子及其他粒子混合在一起，使宇宙處于晦暗狀態(tài)，光無(wú)法穿透，因此，利用以往的觀測(cè)手段根本無(wú)法觀測(cè)到引力波?？茖W(xué)家們只得另辟蹊徑，尋找其他方法。

為“捕捉”引力波，20世紀(jì)90年代，美國(guó)麻省理工學(xué)院和加州理工學(xué)院提出合作建設(shè)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）項(xiàng)目。LIGO有兩套相同的干涉儀，一套位于路易斯安那州的利文斯頓市，另一套位于華盛頓州的漢福德區(qū)。其基本原理是，利用激光干涉儀從一點(diǎn)發(fā)射出兩束垂直的激光，通過(guò)測(cè)量?jī)蓷l激光光束的相位差來(lái)探測(cè)引力波。只有兩臺(tái)激光干涉儀都得到相似的結(jié)果，才能證實(shí)接收到了引力波。

LIGO從2000年開(kāi)始探測(cè)引力波，2010年結(jié)束數(shù)據(jù)搜集。雖然這段時(shí)間內(nèi)并未探測(cè)到引力波，但項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)積累了很多經(jīng)驗(yàn)。2010年至2015年，LIGO經(jīng)過(guò)改進(jìn)，靈敏度大大提高。2015年再度開(kāi)啟，終于在2015年9月14日第一次探測(cè)到了引力波。

此次“捕捉”到的引力波是兩個(gè)質(zhì)量分別是太陽(yáng)29倍和36倍的黑洞合并時(shí)，用不到四分之一秒的時(shí)間瞬間釋放相當(dāng)于3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的能量，運(yùn)行13億年后到達(dá)地球的。這一發(fā)現(xiàn)不僅有助于科學(xué)家進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和理解宇宙中恒星、黑洞、星系等的演化過(guò)程，更是再次證明了廣義相對(duì)論的正確性，開(kāi)啟了引力波天文學(xué)的新時(shí)代。

2017年10月3日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)科學(xué)家雷納·韋斯、巴里·巴里什和基普·索恩，以表彰他們?yōu)榻ㄔO(shè)“激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）”和發(fā)現(xiàn)引力波所作出的貢獻(xiàn)。