引力波獲諾獎毫無懸念？你的宇宙觀等著被它改變吧！

「因為對LIGO探測器和觀測引力波的決定性貢獻」，三位美國科學家——加州理工大學的基普·索恩（Kip Stephen Thorne）、巴里·巴里什（Barry Clark Barish）和麻省理工學院的雷納·韋斯（Rainer Weiss）共同獲得了2017年的諾貝爾物理學獎。

此前關於今年諾貝爾物理學獎的預測中，引力波觀測就是大熱門。實際上，去年諾貝爾獎頒獎前，觀測到引力波的這三位科學家獲獎呼聲就很高。而不久前，一篇涉及了1000多位作者、100多家單位的引力波論文升級後重新發表，使得它得諾貝爾獎的呼聲更高。

引力波觀測為廣義相對論的驗證補上了一塊重要證據

「這三位科學家因為觀測到引力波的存在獲獎毫不意外，他們使得在過去100年間備受爭議的引力波得到了證明，並且進一步驗證了愛因斯坦的廣義相對論的正確性。」上海交通大學物理與天文學院鴻文講席教授季向東在接受記者採訪時說。

就在一個月前，復旦大學中植科學獎也將300萬元的獎金頒給了這三位發現引力波的科學家，並且這三位科學家已經接受邀請，將在今年12月17日來滬參加復旦大學的科技創新論壇。

引力波，顧名思義就是「引力造成的時空的波動」，是由引力源的質量分布的改變引起的一種以光速傳播的震動。愛因斯坦認為，如果引力會造成時空彎曲，那麼引力波就是引力造成時空彎曲時帶來的副產品——「時空的漣漪」，彎曲的情況隨時間變化、在空間傳播。

引力波本身就是廣義相對論的預言產物，牛頓力學中並沒有引力波的存在，而觀測到引力波，也就可以使廣義相對論是正確的。季向東在接受記者採訪時說，廣義相對論提出的一個基本假設就是，把空間的三個維度和時間維度統一在一起的時空（spacetime）是具有彈性的。就算其中空無一物，時空也可發生振動，而這種振動就是引力波。在過去的上百年，引力波備受質疑，因為一切理論推演都必須最終通過實驗證明，而引力波無疑是非常難以發現的。

他舉了個例子，此次獲獎的三位科學家在2016年2月12日第一次宣布，他們於2015年9月14日通過美國激光干涉引力波天文台（LIGO）探測到來自13億光年外的兩個黑洞併合所產生的引力波。

那是來自一個質量為36太陽質量的黑洞與一個29太陽質量的黑洞的碰撞，然後併合為一個62太陽質量的黑洞，失去的3太陽質量轉化為引力波的能量。「『太陽質量』是天體質量的單位，這也只不過是使4公里長的觀測臂發生了0.4乘10的負18次方米的位移。」

這是人類首次觀測到了引力波的存在，正是這次觀測為廣義相對論補上了重要的一塊證據。當時，物理學家希望，在未來的幾年裡，美國的激光干涉引力波天文台（LIGO）以及義大利VIRGO探測器能獲得來自宇宙的、證明引力波存在的直接證據。

事實上，其後，2015年12月26日，2017年1月4日，2017年8月14日，LIGO又先後三次探測到黑洞併合產生的引力波。

引力波天文學隨之開啟，人類研究宇宙有了新的工具

「LIGO探測到引力波是人類歷史上最重大的發現之一。這個發現的意義不僅在於直接驗證廣義相對論和引力波的存在，更重要的還在於開啟了對強引力、隨時間變化的引力以及黑洞的直接觀測，打開了認識宇宙的一個新窗口，並且開啟了引力波天文學這一全新的學科。」復旦大學物理系教授施郁接受採訪時說：「未來我們觀測和研究宇宙有了新的工具，不再局限於光學望遠鏡、射電望遠鏡這類傳統的工具了。」

在這之前，人類關於宇宙的信息主要就是來自宇宙中傳來的電磁波和高能粒子，而引力波帶來了主宰宇宙的引力的直接信息。「包括黑洞，原先它只存在於科學家的理論推演中，現在LIGO通過直接探測引力波證明了黑洞的存在及其一些性質，比如面積不減，以及更細節的性質。」施郁說，引力波的觀測將會更加常態化，引力波天文學將會發展起來，其他引力波源，比如中子星併合、超新星爆發等等也應該會被觀測到。

許多人把探測到引力波比喻為宇宙尺度的浪漫相遇，但身在其中，科學家們更需要的是通力合作和堅持。不少科學家認為，LIGO項目的成功為大科學項目提供了更多的經驗。

「這是一個不能錯失一秒的項目。」上海理工大學教授、國家「千人計劃」專家韓森說，因為每一秒鐘，觀測都有可能有新發現。韓森曾經是LIGO團隊的一員，他曾在1998年受邀為LIGO設計和製造了一台光學檢測設備，不久前他又故地重遊，拜訪了位於加尼福尼亞的LIGO實驗室。

這裡還是像他在的時候一樣，每天早上都要開個半小時的會。「因為觀測是24小時不間斷的，科學家們需要把舊的問題和新的進展告訴其他人。」韓森說。

迄今為止，已經有來自全球超過千名科學家參與到這個項目中來，學科涉及物理、天文、機械、激光、精密儀器、信息等各個方面。

世界頂級課題必定是一次全球智慧的協作與「眾包」。現在，眾多科學家仍然在共同推動引力波探測向前發展，比如升級觀測靈敏度。目前，LIGO探測靈敏度已經直指10的負23次方，韓森表示，第2.5代或者第3代LIGO已經在研發中，靈敏度優於目前指標。

中國科學家也正在推動引力波觀測的「落地生根」

宇宙的奧秘吸引著全世界眾多的科學家，不同的引力波觀測項目也已在中國「落地生根」。

「激光干涉儀引力波天文台（LIGO）是目前最先進的引力波探測器。」中國工程院院士、上海理工大學光電信息與計算機工程學院院長庄松林說，其建造難度不亞於上海光源，目前中國人自己製造激光干涉儀的時機已經成熟。早在2014年，庄松林就牽頭在上海開了一次推動我國引力波觀測走出理論、「落地生根」的論壇。

▲LIGO執行主任 David Reitze博士（左二） 上海理工大學 韓森 教授（前中）

LIGO副主任 Lazzarini Albert博士（右一） Garrett Cole博士（後中）

LIGO首席科學家 Stan Whitcomb 博士（右二）

不久前，曾在實驗室中做過激光干涉儀原理驗證的知名科學家倪維斗也加入了上海理工大學，與韓森和庄松林一起，尋求儀器更高靈敏度的解決方案。

「有人認為這個領域已經拿到諾貝爾獎了，或者美國人已經在做了，我們就不應該繼續做了，我不同意這樣的看法，浩瀚宇宙的觀測只是剛剛開始。」韓森說，「引力波為宇宙探測打開了一扇窗，我覺得它會打開更大的天空。」

▲檢測LOGO的精密光學儀器

相較於LIGO在陸地觀測引力波，引力波的另一個「歸屬」在太空。太空的干擾更小，為此中國已經有了中國科學院發起的「太極計劃」和中山大學發起的「天琴計劃」，皆為尋找更加豐富的引力波源。

去年年底，中國還正式啟動了「阿里項目」。在未來三到五年里，它將在我國西藏阿里海拔5200米以上的地區，建立起世界上最大規模的宇宙微波背景輻射探測器陣列，探測138億年前宇宙大爆炸時的「原初引力波」，在三到五年建成後，將與目前南極、智利的觀測窗口一起，組成全球探測網。

編輯：沈小莎