今天刷屏的引力波到底有多重要？

物理學劃時代成就！

北京時間2015年9月14日17:50:45分

激光干涉引力波觀測平台的兩個探測器同時觀測到一個引力波瞬時事件，與愛因斯坦廣義相對論預言的一對互相旋轉的黑洞併合成一個黑洞的計算相符合。

「愛因斯坦發表廣義相對論百年後，科學們證實他的預言，以引力波的形式，我們首次聆聽到了宇宙的琴弦，真正興奮的是接下來會發生什麼。」

——LIGO項目執行主管David Reitz

文：錢童心

物理學見證了歷史性的一刻。

北京時間2月11日23點30分，物理學家宣布人類首次直接探測到引力波。

所謂引力波，是100年前愛因斯坦廣義相對論所預言的一種以光速傳播的時空波動，就好像石頭丟進水裡產生的波紋一樣，引力波被視為宇宙中的「時空漣漪」。愛因斯坦曾預言，引力波無法被探測到，因為即使是天體碰撞形成的最為強大的引力波，傳到地球時也將變得非常微弱。同為黑洞專家的物理學大師霍金在接受BBC採訪時表示，這是科學史上的重要一刻。

雙黑洞系統想像圖。 圖片來自LIGO網站

霍金說：「引力波提供了看待宇宙新的方式，發現它們的能力或許能使天文學發生革命性的變化。這項發現是首度發現黑洞的二元系統，是首度觀察到黑洞的融合。」他還表示，「除了檢驗愛因斯坦的廣義相對論，我們可以期待透過宇宙史看到黑洞，甚至可以看到宇宙大爆炸時期初期宇宙的遺迹、看到其中一些最大的能量。」

這項新的發現所探測到的引力波，是由13億光年之外的兩顆黑洞在合併的最後階段產生的。這兩顆黑洞的初始質量分別相當於29顆太陽和36顆太陽的質量。合併後合成為一顆質量相當於62個太陽的高速旋轉的黑洞。其虧損的質量以強大的引力波的形式釋放到宇宙空間。

去年9月，美國科研人員利用「激光干涉引力波天文台」(Ligo)兩台孿生的引力波探測器探測到了引力波，隨後花了數月時間來驗證數據並通過審查程序，直到美東時間2月11日上午10：30宣布了這一重大科學發現。這標誌著全球各地研究團隊數十年的努力達到了最高潮。

外媒援引資助這項研究的美國國家科學基金會(NSF)負責人France Cordova稱：「如同伽利略首度把天文望遠鏡指向星空，這項新發現，就會加深人類對宇宙的理解，引發超乎意料的發現。」引力波以光速傳播，由引力波產生的時空扭曲非常微小，Cordova表示，人類將迎來天體物理學全新領域的誕生。

過去幾十年，人類都從未停止過對引力波的追尋。早在1974年，物理學家約瑟夫-泰勒和拉塞爾-赫爾斯發現了一顆編號為PSR B1913+16的脈衝星，他們發現該脈衝星處於雙星系統中，其伴星也是一顆中子星。根據廣義相對論，該雙星系統會以引力波的形式損失能量，軌道周期每年縮短76.5微秒，軌道半長軸每年減少3.5米，預計大約經過3億年後發生合併。

泰勒和赫爾斯的發現間接證明了引力波的存在，也因此獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。

如果再追溯到上世紀60年代，馬里蘭大學的物理學家韋伯，發明了一種共振型的引力波探測器。該探測器有多層鋁筒構成，直徑1米，長2米，質量約1000千克，用細絲懸掛。當引力波經過圓柱時，圓柱會發生共振，進而可以通過安裝在圓柱周圍的壓電感測器檢測到。韋伯曾在相距1000公里的兩個地方同時放置了相同的探測器，只有兩個探測器同時檢測到的信號才被記錄下來。1968年，韋伯宣稱他探測到了引力波，引起科學界的轟動，但是後來重複實現都失敗了。

韋伯和他設計的共振棒探測器

直到1991年，麻省理工學院與加州理工學院在美國國家科學基金會(NSF)的資助下，開始聯合建設「激光干涉引力天文台」(Ligo)。Ligo的主要部分是兩個互相垂直的干涉臂，臂長均為4000米，兩臂交匯處，從激光光源發出的光束被一分為二，分別進入互相垂直並保持真空狀態的兩個空心圓柱體內，然後被終端的鏡面反射回原處，並在那裡發生干涉。若有引力波通過，便會引起時空變形，一臂的長度會略微變長，而另一臂則略微縮短，這樣就會造成光程差發生變化，激光干涉條紋就會發生相應變化。

Ligo與1999年初步建成，2002年開始運行。此次發現引力波的兩台孿生引力波探測器分別位於華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的列文斯頓，彼此相距3000公里。只有當兩個探測器同時檢測到的相同信號，才有可能是引力波。

電磁波只能讓人類看到大爆炸38萬年之後的景象，而引力波則能讓人類回到宇宙大爆炸的最初瞬間。因此引力波一直被認為是人類認識宇宙的新窗口，引力波的發現也必將引發一場天文學的革命。除了檢驗廣義相對論之外，引力波還有助於證明其它版本的引力理論是否正確，比如牛頓提出的「萬有引力」。還將推動引力量子化的研究，並最終把引力融入其它三種基本相互作用，完成愛因斯坦的偉大夢想。

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