什麼是引力波？引力波的觀測意義

引力波也稱重力波，引力波是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，是時空曲率的擾動以行進波的形式向外傳遞的一種方式。如同電荷被加速時會發出電磁輻射，同樣有質量的物體被加速時就會發出引力輻射，這是廣義相對論的一項重要預言。引力波與流體力學中的重力波很相似，當液體表面或內部液團由於密度差異離開原來位置，在重力(gravity force)和浮力(buoyancyforce)的綜合作用下，液團會處於上下振動以達到平衡的狀態。即產生波動。引力波則是由於空間質量和速度的變化導致空間產生的波動。LIGO在2016年2月11日宣布「探測到引力波的存在」。愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最後一塊缺失的「拼圖」被填補了。美國科研人員2016年2月11日宣布，他們利用激光干涉引力波天文台(LIGO)於去年9月首次探測到引力波。研究人員宣布，當兩個黑洞於約13億年前碰撞，兩個巨大質量結合所傳送出的擾動，於2015年9月14日抵達地球，被地球上的精密儀器偵測到。證實了愛因斯坦100年前所做的預測。引力波的發現意義重大，從科學意義上看，引力波可以直接與宇宙大爆炸連接。廣義相對論中預言的引力波也可以產生於宇宙大爆炸中，這就是說大爆炸之初的引力波在137億年後的今天仍然可以探測到。一旦發現了宇宙大爆炸時期的引力波，就可以揭開宇宙的各種謎團，甚至了解宇宙的開端和運行機制。引力波的觀測意義不僅在於對廣義相對論的直接驗證，更在於它超大質量天體相互碰撞可引發引力波能夠提供一個觀測宇宙的新途徑，就像觀測天文學從可見光天文學擴展到全波段天文學那樣極大擴展人類的視野。英國天文物理學大師霍金表示，他相信這是科學史上重要的一刻。「引力波提供看待宇宙的嶄新方式，發現它們的能力，有可能使天文學起革命性的變化。這項發現是首度發現黑洞的二元系統，是首度觀察到黑洞融合。」傳統的觀測天文學完全依靠對電磁輻射的探測，而引力波天文學的出現則標誌著觀測手段已經開始超越電磁相互作用的範疇，引力波觀測將揭示關於恆星、星系以及宇宙更多前所未知的信息。因為引力波直接聯繫著波源整體的宏觀運動，而非如電磁波那樣來自單個原子或電子的運動的疊加，因此引力輻射所揭示的信息與電磁輻射觀測到的完全不同。例如對一個雙星系統觀測到的引力波的偏振揭示了其雙星軌道的傾斜度，這類關於波源運動的宏觀信息通常無法從電磁輻射觀測中取得。如果比較波長與波源尺寸的關係，宇宙間的引力波並不像電磁波那樣波長比波源尺寸小很多，這使得引力波天文學通常不能像電磁波天文學那樣對波源進行拍照成相，而是類似聲波直接從波形分析波源的性質。大多數引力波源很難或根本無法通過電磁輻射直接觀測到(例如黑洞)，這個事實反過來也成立;考慮到一般認為宇宙間不發射任何電磁波的暗物質所佔比例要遠大於發射電磁波的已知物質，暗物質與外界的唯一相互作用即是引力相互作用，引力波天文學對這些暗物質的觀測具有重要意義。引力波與物質的相互作用非常弱，在傳播途徑中基本不會像電磁波那樣容易發生衰減或散射，這意味著它們可以揭示一些宇宙角落深處的信息，例如宇宙誕生時形成的引力輻射至今仍然在宇宙間幾乎無衰減地傳播，這為直接觀測大爆炸提供了僅有的可能。引力波探測需要怎樣的理工人才人類宣布探測到引力波那天，兩個性情大不相同的老教授擁抱在一起。他們是激光干涉引力波天文台(LIGO)的聯合創始人基普·索恩和雷納·韋斯。索恩來自美國西岸的加州理工學院，他風趣活躍，是位理論物理學家，而韋斯來自東岸的麻省理工學院，是位言行稍顯拘謹的實驗物理學家。促成這兩所歷來互相「看不上眼」的頂尖理工學院合作並不容易。儘管近百年前愛因斯坦就已預言引力波的存在，但由於引力波微弱，就連他自己都不相信其可被人類探測到。因此，在相當長的時間內，各國科研機構對引力波探測顯得「猶豫不決」。上世紀70年代，索恩和韋斯仔細研究了探測引力波的可行性。韋斯提供了使用激光干涉技術等重要實驗構想。隨後，索恩憑藉自己的視野、激情和推動力，最先說服加州理工學院支持LIGO項目。

加州理工學院規模相對較小，機構設置簡單，教授們的想法相對更容易獲得學校支持。正是由於學校支持力度巨大，LIGO項目關鍵管理層也都設在加州理工學院。但當時，麻省理工學院的態度卻有些「曖昧」，不願過多投入LIGO項目，只是後來隨著實驗進展而加大了投入。對於如此重大的自然科學探索項目，「各自為政」的研發方式很可能會造成人力、物力和財力的浪費。文獻資料顯示，美國國家科學基金會要求兩個頂尖理工學院合作推動引力波探測項目。然而記者在資料中看到，讓這兩個學校中各有「脾氣」的科學家共同研究問題並非一帆風順。早期LIGO項目內部也曾充滿競爭、矛盾和對立，一度關係僵化。不過，由於其知識面廣、水平高、為人厚道、善於溝通，索恩贏得了大家的尊重，在合作中也起到了重要的「潤滑劑」作用。最終，加州理工學院找來「特大學霸」、高能實驗物理學家巴里·巴里什(下圖左)前來主持實驗工作，逐漸把兩個學校的合作拉上正軌。此類實驗通常需要良好的組織，曾主持國際直線對撞機項目(ILC)的巴里什在這個方面特別有一套，威望極高。

在學校層面，兩個頂尖理工院校對引力波探測項目的貢獻互為補充。美國國家工程院院士、麻省理工學院機械工程系主任陳剛教授曾在接受新華社記者採訪時說，加州理工更偏重基礎理論研究，而麻省理工則更注重與產業界的合作。LIGO科學合作組織的研究成員、加州理工學院物理系教授陳雁北說：「加州理工學院更偏重解決特別關鍵、具有革命性的問題，偏重追求更難，而並非全面的問題。」儘管兩個學校風格不同，但共同特點卻是都擁有「理工氣質」——更強調和偏重科研和學術研究。在錄取學生時也特別側重學生在科學和工程上的研究經歷、能力和潛力，對於其他方面則有點「睜一眼閉一眼」。相比而言，哈佛等「常春藤」高校更注重培養領導才能，強調人與社會的關係。「人的能力和專長各不相同，沒必要和天才的『短板』過不去，」陳雁北教授認為。他回憶說：「我曾有個堪稱物理天才的學生，但是有自閉症，可只要不影響學術交流，自閉有什麼關係?不過，這樣的學生恐怕進不了哈佛大學。」推動自然科學探索領域的重大研究項目向前邁進，需要什麼樣的理工人才?

從半個世紀以來漫長、艱辛的LIGO項目可以看出，既需要索恩這樣的理論物理學家，構建起引力波探測研究的理論框架，推動多個機構的合作;也需要韋斯這樣的實驗物理學家，讓基礎理論與實驗完美結合;還需要巴里什這樣的人來組織實驗工作。龐大的LIGO項目終獲成功，「需要各類人才充分發揮各自所長，需要兩所氣質迥異的理工學院積極開展合作，需要充分發揮學術研究的多樣性，這些元素缺一不可，回想起來著實不易，」陳雁北對新華社記者感慨。讓科學精神在大學裡有處安放，讓豐富多樣的各類人才能夠發揮專長，讓不同學術見解可以充分碰撞，這正是引力波探測成功對科技人才使用的重要啟迪。
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