發現引力波！媲美伽利略的重大成就
整整100年前，愛因斯坦發表了廣義相對論，並據此預言引力波的存在。一個世紀後的本周四，美國科學家宣布，他們直接探測到了引力波，由此補上了廣義相對論實驗驗證中的最後一塊拼圖。
(德國之聲中文網)美國加州理工學院、麻省理工學院以及LIGO探測器的天體物理學家周四在華盛頓共同展示了他們的研究成果。憑藉LIGO(激光干涉引力 波探測器)，研究團隊捕捉到了兩個黑洞合併時的引力波信號。麻省理工大學物理學家懷斯教授(Rainer Weiss)是LIGO項目的發起人之一，他在周四的新聞發布會上表示，通過建造一款新型望遠鏡，"我們開創了一片全新的領域。"美國國家科學基金會 (NSF)主任、天體物理學家科爾多瓦(France A. Córdova)更是將這一研究成果與400年前的伽利略首次用望遠鏡觀測夜空相提並論。
LIGO項目也是人類歷史上首次對黑洞進行直接觀測。德國馬普研究院引力物理研究所(MPG)主任波南諾(Alessandra Buonanno)指出，這意味著宇宙學研究有了一種全新的手段，將為物理學以及天文學開創新紀元。該研究所也參與了此次LIGO探測引力波的科研項目。
美國科學家宣布直接探測到了引力波
"消失了三個太陽"
根據廣義相對論，物體在碰撞或加速過程中能產生引力波。當物質的分布發生改變時，時空也會相應地變化。就好像在平靜的水面上投下一枚小石子後，會產生一圈向外傳播的波浪；時空的彎曲也會像漣漪一樣向外傳播，這一 "漣漪"就是引力波。
按照廣義相對論的推導，物體的質量越大，所能產生的引力波也越強。然而，愛因斯坦自己計算後發現，引力波的強度應該非常微弱；他本人甚至不認為引力波的強度足以被觀測。
幾十年來，物理學家一直在嘗試捕捉到引力波存在的直接證據。MPG研究所副主任阿倫(Bruce Allen)介紹說，研究團隊這一次觀測了兩個黑洞合併前的最後四圈運行，取得了大量數據。隨後的分析顯示，兩個黑洞的質量分別相當於29個以及36個太 陽；而合併後的新黑洞，其質量卻只相當於62個太陽。根據愛因斯坦的質能方程(E=mc2)，此處消失的三個太陽質量轉化成了引力波的形式。
廣義相對論的其他幾項預言--例如光線或電磁波的彎曲、水星近日點進動、引力紅移效應此前都已經被證實。而此次捕捉到引力波直接存在的證據，可以說是補上了廣義相對論實驗驗證的最後一塊拼圖。
德國之聲 2016-02-11
作者文山/張筠青（德新社、美聯社、法新社）
科技環境
深入淺出講解引力波
為什麼一項常人難以理解的天體物理學新發現能夠引發如此多的關注？究竟什麼是引力波？發現了引力波，又有怎樣的科學意義？
引力導致的時空彎曲
(德國之聲中文網)我們無時不刻地感知到重力--也就是引力的存在。而在廣義相對論中，引力可以用時空彎曲來解釋。假設時空就是一張蹦床：一枚小小的網球 放在蹦床上，它只會靜靜地停在那裡；而如果此時在蹦床上坐著一個人，蹦床就會向下凹陷，那枚小網球則會滾向這一凹陷處，而且越是離得近，滾得越是快。網球 被這處凹陷"吸引"了。
顯然，坐在蹦床上的那個人體重越大，凹陷就越是明顯，網球就越是容易滾向凹陷處。同理，在時空中，引起改變的那個物體質量越大，時空彎曲程度就越是明顯，產生的"引力"也更大。
而在那個人一屁股坐上蹦床的那一瞬，蹦床的彎曲會從凹陷中心處向外擴散；此時，如果用高速攝影機觀測、並回放慢鏡頭，會發現這一擴散過程是以波動的形式進行的。就好像平靜的水面上投一枚石子，會產生一圈圈的漣漪。這就是引力波。
引力波產生在物體加速過程中，即物質的分布發生改變時(一屁股坐上蹦床的時刻)。比如恆星爆炸、黑洞碰撞，都會產生引力波。引力波會引起時空的伸縮、影響時空的結構(蹦床的彎曲從凹陷處呈波浪狀擴散)。
馬普引力物理研究所發布的引力波示意圖
為何花了一個世紀？
愛因斯坦在1916年發表廣義相對論時，就預言了引力波的存在。與聲波、光波(電磁波)不同的是，引力波在宇宙中的傳播不會受到任何阻擋。
愛因斯坦描述了時空是如何被引力波拉伸以及壓縮、時空是如何彎曲，也描述了物體是如何在彎曲的時空中運動的。
愛因斯坦的這一理論被提出後，眾多物理學家都在努力尋找引力波存在的證據。然而，受時代所限，早年間的科學家沒有足夠的技術手段來進行觀測。
難以觀測的一大原因就是引力波太微弱了。就好比我們觀察蹦床彎曲的波浪狀擴散需要高速攝影機，觀測引力波也需要極端精密的儀器。抵達地球的引力波，其振幅大約相當於氫原子的100億分之一。
歐洲空間局去年12月發射了LISA探路者號，可以探測時空波動
這次立了大功的LIGO(激光干涉引力波探測器)，是由相距3000公里的兩個精密觀測裝置共同組成的。每個觀測裝置都具有兩條相互垂 直的管道，每條管道長4000米，構成L型。管道內安裝有半透鏡以及反射鏡。激光在L型管道的節點處被半透鏡分為兩路，分別走向L型管道的兩端，從盡端反 射回來後，重新匯聚。如果沒有引力波的影響，重新匯聚後的激光會因為同頻干涉而相互抵消。而引力波會極其細微地改變反射鏡與半透鏡的距離，從而影響本應相 互抵消的干涉結果。
而之所以要相隔3000公里修建兩套一樣的觀測裝置，則是為了便於科學家比對引力波的方向以及時間節點。
除了LIGO項目，還有許多其他裝置也在找尋引力波的影蹤。歐洲空間局最近發射了一枚衛星，可以用來觀測宇宙的細微波動。
證實引力波為何意義重大？
從科學意義上而言，證實引力波確實存在，將徹底改變物理學對宇宙的認知。科學家將能夠由此來研究大爆炸事件的後續影響，還能夠更精確地來觀察宇宙中遙遠的角落。源自大爆炸的引力波，還能幫助科學家更好地理解宇宙的構成。
從科學史角度來看，捕捉到引力波直接存在的證據，就是補上了愛因斯坦廣義相對論實驗驗證的最後一塊拼圖。廣義相對論的其他幾項預言--例如可見光/電磁波的彎曲、水星近日點進動、引力紅移效應此前都已經被證實。
衛星定位需要運用廣義相對論
從大眾傳媒的視點來看，這次發現引力波直接證據的科學家，極其有望獲得諾貝爾物理學獎(比如，LIGO項目的發起人之一懷斯教授已經83歲了…)。
從普通人的現實角度……暫時無法預測引力波會有哪些現實的應用價值。但是：看似遠離日常生活的、1916年發表的廣義相對論，對於如今廣泛應用的衛星定位技術，卻是不可或缺的：衛星必須依照廣義相對論，來修正由地球引力導致的時空彎曲。
德國之聲 2016-02-11
作者文山
推薦閱讀：