引力波被發現 物理學世紀懸案謎底揭開

◇新聞117記者 周白石

2月11日，美國科學家宣布，2015年9月他們利用激光干涉引力波天文台（LIGO）首次探測到引力波，7毫秒後，另一處美國天文台的探測器也探測到引力波，證實此次探測絕非「誤報」。這一發現，不僅印證了愛因斯坦100年前預言的準確性，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。

現代物理學認為，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的相互作用是非常微弱的，所以可以傳播至很遠的宇宙空間。換句話說，此次美國科學家發現的引力波，是很遠的地方形成的。

為發現如此「弱」的引力波，美國國家自然科學基金會於上世紀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台(LIGO)。兩個引力波探測器呈現L形排列，L形測量臂長達4公里，兩個測量器垂直排列，兩端各有反射鏡面。

美國科學家稱，美國東部時間2015年9月14日5時51分，位於利文斯頓的探測器首先傳出「撞擊聲」，7毫秒後，漢福德的探測器也傳出「撞擊聲」。由於兩個天文台使用完全相同的設備，且間隔數千公里，所以此次兩處天文台幾乎在同一時間探測到引力波，可以排除偶然因素導致的誤判。

（位於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）

原國家天文台是副研究員、現義大利羅馬天文台博士後爾欣中介紹，這一實驗相當於在一個4公里長的尺度上，測量一個10的負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在未來的幾年裡應該還能夠發現類似的現象。換句話就是這個實驗應該是可以重複的。這個項目早期義大利科學家也在進行，後來由於經費緊缺等問題與美國合作一起進行，即此次報道中LIGO和VIRGO兩個合作組。」

據報道，此次探測到的引力波是由兩個黑洞合併引發的。兩個黑洞都相當於大質量的恆星，它們不斷旋轉、靠近，最終以極快的速度相撞後合併成一個黑洞。兩個黑洞一個達到太陽質量（即人們常說的重量）的29倍，一個為太陽質量的36倍。據推測，兩個黑洞合併發生在13億年前，二者在合併的過程中釋放出約3個太陽質量的能量，相當於不計其數的原子彈在不到1秒的時間內同時爆炸，其產生的引力波在13億年後傳到了地球並被發現。

三問引力波

1.什麼是引力波？

這個是專業的解釋：廣義相對論所預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」,如同石頭丟進水裡產生的波紋一樣。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對方。它們互相加速運動時，產生的「漣漪」就是引力波。宇宙中大質量天體的加速、碰撞、合併等都會形成強大的引力波。

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

2.發現引力波為什麼令人興奮？

原因一：100年前，愛因斯坦在廣義相對論的基礎上提出了引力波的存在，並預言強引力場事件可產生引力波，比如黑洞合併、脈衝星自轉以及超新星爆發等。不過，基於當時的科學技術水平，他認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。此次發現引力波，被業內稱為找到了「愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最後一塊『拼圖』」。

原因二：爾欣中說，學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實現，如今，引力波也找到了。

換句話說，以後科學家觀測宇宙有了另外一種方式。自20世紀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。其中包括位於美國路易斯安那州利文斯頓臂長為4千米的LIGO；位於美國華盛頓州漢福德臂長為的4千米的LIGO；位於義大利比薩附近，臂長為3千米的VIRGO；德國漢諾威臂長為600米的GEO，日本東京國家天文台臂長為300米的TAMA300。這些探測器在2002年至2011年期間共同進行觀測。

在這一領域的研究，我國也推出了「天琴計劃」。據報道，其主要將分四階段實施，第一階段完成月球/衛星激光測距系統、大型激光陀螺儀等天琴計劃地面輔助設施；第二階段完成無拖曳控制、星載激光干涉儀等關鍵技術驗證，以及空間等效原理實驗檢驗；第三階段完成高精度慣性感測、星間激光測距等關鍵技術驗證，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鍵技術，發射三顆地球高軌衛星進行引力波探測。

3.發現引力波有什麼意義？

爾欣中說，發現引力波的意義還不止於此，找到引力波也將有望揭開宇宙起源之謎。現在最廣泛接受的宇宙起源模型是所謂的「暴漲」模型。這個模型中預言了兩種模式的擾動，一個是現在能看到的物質擾動，形成了星系、恆星等；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，和現在發現的黑洞合併所產生的引力波需要不一樣的探測方法。「直白一點說，在宇宙開始，可以想像成充滿了『均勻』分布的『粒子』，然後最初的一點擾動（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、恆星等。這個就是第一種物質的擾動。第二種擾動是時空的曲率（即引力波），沒有在物質的分布上直接反應出來，我們需要間接的方法來觀測，例如宇宙微波背景輻射。」

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達世界人類通訊手段，在引力波被發現之前，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最早的項目科學家之一。爾欣中曾和幾個天文台的同事將其翻譯成中文。

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