探測到引力波，愛因斯坦又贏了

圖說：分別位於列文斯頓和漢福德的LIGO探測器以及它們分別探測到的引力波信號

《財經》記者 王小/文

北京時間2月11日23點30分，一個聯合研究團隊向全世界宣布，美國的激光干涉引力波觀測站（LIGO）首次直接探測到了引力波，其波源來自13億光年之外的遙遠宇宙空間，由兩個黑洞碰撞併合所引發。

「研究所的理論物理學家多數聚集在餐廳觀看引力波探測的新聞發布會。看到宣布發現引力波的一刻大家一起歡呼鼓掌……其實本該在辦公室獨自觀看，因為在公開的場合必須強忍淚水。」美國麻省理工學院物理教授文小剛在朋友圈寫道。

新發現如此激動人心，是因為「原初引力波」就是廣義相對論實驗驗證中最後一塊缺失的的「拼圖」。 1916年愛因斯坦在廣義相對論的框架內，發表論文論證了引力波。來自大質量天體引力的相互作用，比如黑洞合併會在時空中產生漣漪，並向外傳播擴散，就像水池中水的擾動向外傳播的波紋一樣，這種彎曲時 - 空中的漣漪就是引力波。

中山大學天文與空間科學研究院院長李淼對《財經》說：「LIGO這一划時代的發現開啟了物理學的引力波時代，引力波從此由理論上的存在變成事實上的存在。」一個理論終究需要被實驗證實，源於廣義相對論的其他重要預言，如光線的彎曲、水星的近日點進動以及引力紅移效應等都一一被實驗證實，原初引力波的實驗驗證是支持廣義相對論的最後一個有力證據，它使相對論包括狹義和廣義所預言的所有現象全部被實驗驗證。

為這一刻，科學家們忍受了漫長的等待。早在20世紀70年代以來，世界上有好幾個實驗室研製安裝了利用激光干涉探測法進行引力波探測的設備，即激光干涉引力波探測器。如美國的LIGO、德國的GEO600、日本TAMA和意法合作的VIRGO。

利用干涉儀進行探測的基本原理在於，比較光在其相互垂直的兩臂中度越時所用的時間。當引力波在垂直於干涉儀所在的平面入射時，由於它特殊的偏振特性，使干涉儀的一臂伸長而使另一臂縮短，從而使光束在兩臂中度越時所用的時間差發生變化，探測到這種變化就證實引力波的存在。

美國LIGO項目在上世紀90年代初啟動。由美國國家科學基金資助，由加州理工學院和麻省理工學院構思、建造並運行。LIGO擁有兩套干涉儀，一套在路易斯安納州的列文斯頓（Livingston, Louisiana），另一套在華盛頓州的漢福德（Hanford, Washington）。列文斯頓的干涉儀有一對封閉在直徑112米真空管中的長4千米的臂，漢福德的干涉儀稍小，是一對2千米長的臂。兩個探測器距離3000公里（相當於光速傳播10毫秒）。

從上圖可見，激光器發出激光，被分成兩束，這兩束頻率完全同步的激光分別進入兩個長4公里，相互垂直的真空管。兩束激光在各自的管道中來回反射400次，最後疊加，進行相消干涉。在正常情況下，它們應該相互抵消。如果有引力波經過，使兩條管道產生不同的長度變化（一條變長，一條變短），造成兩道激光的光程差，最後合併的時候，它們就會產生干涉條紋。

廣西師範大學物理與電子工程學院唐江凌等研究人員在《漫談引力波探測》中指出，因為激光強度的微小變化、微弱的地面顫動，甚至研究人員在實驗室附近活動引起的震動等種種干擾，看起來都可能像引力波信號；然而如果是干擾信號，其記錄將只會出現在一台干涉儀中，真正的引力波信號則會被分處兩地的兩台干涉儀同時記錄。所以科學家可對兩地的數據記錄進行比較而得知哪些信號是雜訊、哪些信號是引力波信號。

這次被確證測到的引力波信號，是在世界協調時間2015年9月14日9時51（北京時間當天下午17時51分）。這一引力波首先到達列文斯頓探測器，7毫秒之後到達漢福德探測器，這意味著引力波源位於南半球天區。

根據LIGO的這一觀測信號，科學家算出事件發生在距離地球十幾億光年之外的一個遙遠星系中。兩個分別為36和29太陽質量的黑洞，在不到一秒的時間內，併合為62太陽質量黑洞，雙黑洞併合最後時刻所輻射的引力波的峰值強度比整個可觀測宇宙的電磁輻射強度還要高十倍以上。

過程中的大質量天體劇烈運動擾動著周圍的時空，扭曲時空的波動也在這個過程中以光速向外傳播出去。因此，引力波的本質就是時空曲率的波動，被謂為時空的「漣漪」。

這一發現是由LIGO科學合作組織（包含GEO合作組織和澳大利亞干涉引力天文協會）以及Virgo合作組織共同完成，數據來自兩個 LIGO探測器。作為中國大陸唯一LIGO科學合作組織成員，清華大學研究團隊作出貢獻。該論文被《物理評論快訊》（Physical Review Letters）期刊接受發表。

這個發現將極大促進其他引力波探測實驗的發展。不過，愛因斯坦可能對這一發現並不會像繼承者這樣激動，他當初「認為引力波太過微弱而無法探測，並且他從未相信過黑洞的存在。不過，我想他並不介意自己在這些問題上弄錯了。」馬克斯·普朗克引力物理研究所（阿爾伯特·愛因斯坦研究所）所長艾倫（Bruce Allen）對外稱。

這個新發現僅僅是人類探測引力波的開端，因為其僅限於可能輻射引力波很多種源中的一種，即合併的雙黑洞系統，且處於銀河系外。李淼說：「引力波存在且可以被探測到將為我們打開觀測宇宙中一些天體物理過程的一個新窗口，人類觀測宇宙從此有了兩個窗口：電磁波和引力波。引力波天文學將成為物理學與天文學一個新分支，人類將更加深刻地認識宇宙。天文學在21世紀將進入引力波天文學時代。」

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