◇新聞117記者 周白石

2月11日，美國科學(xué)家宣布，2015年9月他們利用激光干涉引力波天文臺（LIGO）首次探測到引力波，7毫秒后，另一處美國天文臺的探測器也探測到引力波，證實此次探測絕非“誤報”。這一發(fā)現(xiàn)，不僅印證了愛因斯坦100年前預(yù)言的準(zhǔn)確性，為人類觀測宇宙提供了新的方法，還為能夠揭開宇宙起源之謎。

現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為，引力波是一種與電磁波不同的輻射，無法通過電磁輻射直接觀測。引力波與宇宙中物質(zhì)的相互作用是非常微弱的，所以可以傳播至很遠(yuǎn)的宇宙空間。換句話說，此次美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的引力波，是很遠(yuǎn)的地方形成的。

為發(fā)現(xiàn)如此“弱”的引力波，美國國家自然科學(xué)基金會于上世紀(jì)90年代在路易斯安娜州利文斯頓和華盛頓州漢福德各建造了一個激光干涉引力波天文臺(LIGO)。兩個引力波探測器呈現(xiàn)L形排列，L形測量臂長達(dá)4公里，兩個測量器垂直排列，兩端各有反射鏡面。

美國科學(xué)家稱，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”。由于兩個天文臺使用完全相同的設(shè)備，且間隔數(shù)千公里，所以此次兩處天文臺幾乎在同一時間探測到引力波，可以排除偶然因素導(dǎo)致的誤判。

（位于美國路易斯安那州利文斯頓附近，臂長4千米的激光干涉儀引力波探測器）

原國家天文臺是副研究員、現(xiàn)意大利羅馬天文臺博士后爾欣中介紹，這一實驗相當(dāng)于在一個4公里長的尺度上，測量一個10的負(fù)18次方米的變化。用“微乎其微”這一詞來形容試驗的精度，似乎顯得“不夠”。“LIGO在未來的幾年里應(yīng)該還能夠發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象。換句話就是這個實驗應(yīng)該是可以重復(fù)的。這個項目早期意大利科學(xué)家也在進(jìn)行，后來由于經(jīng)費緊缺等問題與美國合作一起進(jìn)行，即此次報道中LIGO和VIRGO兩個合作組。”

據(jù)報道，此次探測到的引力波是由兩個黑洞合并引發(fā)的。兩個黑洞都相當(dāng)于大質(zhì)量的恒星，它們不斷旋轉(zhuǎn)、靠近，最終以極快的速度相撞后合并成一個黑洞。兩個黑洞一個達(dá)到太陽質(zhì)量（即人們常說的重量）的29倍，一個為太陽質(zhì)量的36倍。據(jù)推測，兩個黑洞合并發(fā)生在13億年前，二者在合并的過程中釋放出約3個太陽質(zhì)量的能量，相當(dāng)于不計其數(shù)的原子彈在不到1秒的時間內(nèi)同時爆炸，其產(chǎn)生的引力波在13億年后傳到了地球并被發(fā)現(xiàn)。

三問引力波

1.什么是引力波？

這個是專業(yè)的解釋：廣義相對論所預(yù)言的一種以光速傳播的時空波動。引力波被比喻為宇宙中的“時空漣漪”,如同石頭丟進(jìn)水里產(chǎn)生的波紋一樣。假如時空是一張巨大的橡膠膜，小球是天體，把小球放在橡膠膜上時，球重會把橡膠膜往下壓。這時，若在附近再放一顆球，它們分別造成的“時空彎曲”就會讓它們逐漸滾向?qū)Ψ?。它們互相加速運動時，產(chǎn)生的“漣漪”就是引力波。宇宙中大質(zhì)量天體的加速、碰撞、合并等都會形成強大的引力波。

這個是爾欣中直白的解釋：兩個大質(zhì)量的天體碰撞時，產(chǎn)生的時空擾動向外傳播出去。

2.發(fā)現(xiàn)引力波為什么令人興奮？

原因一：100年前，愛因斯坦在廣義相對論的基礎(chǔ)上提出了引力波的存在，并預(yù)言強引力場事件可產(chǎn)生引力波，比如黑洞合并、脈沖星自轉(zhuǎn)以及超新星爆發(fā)等。不過，基于當(dāng)時的科學(xué)技術(shù)水平，他認(rèn)為引力波太過微弱而無法探測，且他從未相信過黑洞的存在。此次發(fā)現(xiàn)引力波，被業(yè)內(nèi)稱為找到了“愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最后一塊‘拼圖’”。

原因二：爾欣中說，學(xué)生時代老師對他們講過，觀測宇宙有4種方法，即電磁波，中微子，隕石和引力波，前三種在此之前已經(jīng)實現(xiàn)，如今，引力波也找到了。

換句話說，以后科學(xué)家觀測宇宙有了另外一種方式。自20世紀(jì)90年代起，在世界各地，一些大型激光干涉儀引力波探測器開始籌建，引力波探測黃金時代就此拉開了序幕。其中包括位于美國路易斯安那州利文斯頓臂長為4千米的LIGO；位于美國華盛頓州漢福德臂長為的4千米的LIGO；位于意大利比薩附近，臂長為3千米的VIRGO；德國漢諾威臂長為600米的GEO，日本東京國家天文臺臂長為300米的TAMA300。這些探測器在2002年至2011年期間共同進(jìn)行觀測。

在這一領(lǐng)域的研究，我國也推出了“天琴計劃”。據(jù)報道，其主要將分四階段實施，第一階段完成月球/衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)、大型激光陀螺儀等天琴計劃地面輔助設(shè)施；第二階段完成無拖曳控制、星載激光干涉儀等關(guān)鍵技術(shù)驗證，以及空間等效原理實驗檢驗；第三階段完成高精度慣性傳感、星間激光測距等關(guān)鍵技術(shù)驗證，以及全球重力場測量；第四階段完成所有空間引力波探測所需的關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)射三顆地球高軌衛(wèi)星進(jìn)行引力波探測。

3.發(fā)現(xiàn)引力波有什么意義？

爾欣中說，發(fā)現(xiàn)引力波的意義還不止于此，找到引力波也將有望揭開宇宙起源之謎?，F(xiàn)在最廣泛接受的宇宙起源模型是所謂的“暴漲”模型。這個模型中預(yù)言了兩種模式的擾動，一個是現(xiàn)在能看到的物質(zhì)擾動，形成了星系、恒星等；另外一種擾動的模式就是引力波，但是這種模式引力波的波長非常大，和現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的黑洞合并所產(chǎn)生的引力波需要不一樣的探測方法?！爸卑滓稽c說，在宇宙開始，可以想象成充滿了‘均勻’分布的‘粒子’，然后最初的一點擾動（就是有些地方的密度比其他地方稍微大一點），這種擾動逐漸演化，密度大的地方吸引其他粒子，密度越來越大，逐漸形成星系、恒星等。這個就是第一種物質(zhì)的擾動。第二種擾動是時空的曲率（即引力波），沒有在物質(zhì)的分布上直接反應(yīng)出來，我們需要間接的方法來觀測，例如宇宙微波背景輻射?！?/p>

有趣的是，《星際穿越》和《三體》兩本書不約而同地將引力波作為未來發(fā)達(dá)世界人類通訊手段，在引力波被發(fā)現(xiàn)之前，這也許只是幻想，但將來或許不是了。爾欣中透露，《星際穿越》的作者Kip Thorne教授也是LIGO最早的項目科學(xué)家之一。爾欣中曾和幾個天文臺的同事將其翻譯成中文。