中國將投資150億做一件大事 尋找宇宙之聲

近日，美國科學家宣稱，位於華盛頓州和路易斯安那州的激光干涉引力波天文台(簡稱LIGO)已成功探測到引力波。

這意味著，人類科學研究從電磁波時代進入引力波時代，我們將從全新的探測窗口傾聽宇宙的「歌唱」。一旦未來的引力波通訊技術開發成功，可能引導人類進行跨越星際的交流，幫助人類儘早走出地球家園、 向宇宙的深度進軍。

據中國科學院16日透露，空間引力波探測已被列入中科院制訂的空間2050年規劃。中科院從2008年開始發起「太極計劃」，計劃在2030年前後將發射由位於等邊三角形頂端三顆衛星組成的引力波探測星組，用激光干涉方法進行中低頻波段(1x10-4-1.0Hz)引力波的直接探測。「太極計劃」的主要科學目標是觀測雙黑洞併合和極大質量比天體併合時產生的引力波輻射，以及其它的宇宙引力波輻射過程。

另外，由中山大學牽頭的同樣用於探測引力波的「天琴計劃」已於去年啟動，計劃用20年時間，總投資約為150億元。中山大學天文與空間科學研究院院長李淼15日接受採訪介紹說，「天琴計劃」預期執行期為2016-2035年，分四個階段實施。最近幾年，「天琴計劃」的發展將以在中山大學珠海校區建設天琴計劃綜合研究設施為重要內容。

△劉慈欣在科幻小說《三體》系列中，讓引力波成為了人類威懾三體人的通信工具。

引力波是什麼？如何探測引力波？探測到引力波的意義何在？中國科學院國家天文台研究員張承民這樣為您解答。

什麼是引力波？

愛因斯坦的廣義相對論（GR）是關於引力場中物質運動的規律描述，而引力場是控制宇宙萬物的四個基本相互作用之一，有物質就產生引力場。諸如，地球上的蘋果為什麼下落？為什麼月球圍繞地球、地球圍繞太陽運動？這些就是萬有引力現象的案例。

牛頓引力定律只是低速度描述引力場的近似，而愛因斯坦給出更加完美的普適方程，並獲得大量實驗驗證支持；牛頓引力理論無法給出引力波的概念，因為其方程不能提供輻射的解。GR的引力場方程可以獲得如同電磁場一樣的傳播解，其時空波動的傳播速度是光速，依此愛因斯坦預言了引力波的存在。

簡單的說，電磁波是電磁能量的空間傳播，而引力波是時空引力能量的傳播。不同於電磁波，引力波是物質能量劇烈加速變化引起時空形變的傳播；電磁波的源泉則是電場和磁場的震蕩傳播。但是兩者的傳播速度是一樣的，都是光速，即每秒30萬公里（比較地月距離38萬公里，也就是說一秒多就可從地球到月球）。此外，引力波的震蕩模式（偏振）與電磁波稍有不同。

△引力波示意圖（圖/千龍新聞網）

引力波如何產生？為什麼引力波的探測那麼難？

引力波發生在一個巨大的天體突然加速運動，就像當恆星的超新星爆發時、或者當兩個巨大的星體發生碰撞、或者兩個緻密星體合併，諸如中子星與黑洞這類星體的碰撞與合併。

由於距離遙遠，引力波能量到達地球時的信號非常微弱。美國引力波激光干涉儀LIGO 探測器檢測的精度相當於在北京觀測上海的分子運動，其難度可想而知。近100年來，全球科學家一直翹首以待這一宇宙物質的波動光顧地球。然而，尋找世間微弱的奇蹟，談何容易，各種大型引力波探測器在世界各地建設，LIGO堪稱之最。

引力波能量微弱的原因可以類比電子與質子的相互作用，兩者的電力作用相當於其引力作用的10億倍，所以引力波的能量較低。雖然引力波在宇宙到處存在，但是其微弱能量使得我們難於探測到。

引力波的探測主要有哪些方法？

由於引力波爆發引起時空震蕩，使得物體產生微小抖動，所以引力波觸發微小時空變化。諸如，黑洞合併時釋放出巨大引力波能量，地球的引力波激光干涉儀LIGO的干涉臂被引發微小的震動；雙中子星系統的纏繞運動將釋放引力波，其軌道尺度變小；脈衝星陣列的監測可以反映引力波穿過時的漂移；引力波損失動量可以導致脈衝星轉動速度飽和，等等。對於上述現象的觀測和監測，讓我們判斷引力波的存在證據。

1974年，美國天文學家赫爾斯和泰勒，利用阿雷西博305米口徑射電望遠鏡，觀測到雙中子星系統的軌道收縮，雖然每年3厘米的軌道變化，這與愛因斯坦的預言一致。由於他們間接證實引力波存在，於1993年兩人獲得諾貝爾物理學獎。

在引力波尋覓的征途上，歐洲、日本和澳大利亞也不甘落後，他們相繼建設各自的探測器，苦苦等待引力波投來激動的漣漪。依據愛因斯坦理論推算，在幾千光年距離遠的黑洞或中子星合併事件，其引力波強度可以被LIGO測到。

LIGO如何探測到引力波？

激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory — LIGO)是美國建設的大型激光干涉儀，由加州理工學院和麻省理工學院負責運行，分別坐落在美國北部的華盛頓州和南部的路易斯安那州，南北距離約2000多公里；干涉儀臂長3公里和4公里、呈垂直布置。 一旦引力波闖入地球，引發時空震蕩，造成干涉臂距離變動，這將讓干涉儀的干涉條紋變化，依此確定引力波強度。

△ 美國激光干涉引力波天文台（資料圖）

據推算，本次宣布的引力波直接探測，其信號來自距離地球13億光年的雙黑洞的合併事件，持續時間約20毫秒。兩個互相纏繞運動的黑洞質量大約相當於30個太陽，它們在最終的毀滅性碰撞合併時發出引力波爆發，此發現的探測時間是2015年9月14日（引力波事件編號GW150914）。

本次引力波發現還需要解釋一些疑惑

本次宣稱的引力波發現，是南北距離兩千多公里的兩個激光干涉儀的同步探測結果，但是中國科學院國家天文台研究員張承民對此有90%的可信度。那麼，10% 的疑慮是什麼？

其一，在美國LIGO獲得引力波信號時，歐洲引力波設備VIRGO沒有反應，缺少相應的佐證信息；

其二， 引力波信號出現時，多個衛星探測器在空間工作，也沒有發現宇宙深處的Gamma射線爆發、X-射線爆發；而地面光學與射電望遠鏡也沒有發現超新星爆發和射電爆發事件。當然，LIGO可以如此反駁，雙黑洞外圍沒有大量物質運動，其合併也許不會產生足夠的電磁能量爆發。

目前，LIGO的引力波發現還沒有外部佐證事件，這可能被詬病為孤立的「自證」發現事件。 LIGO需要進一步等待新的引力波信號到來，再次證實其發現的可靠性。1979年，美國馬里蘭大學物理學家宣稱發現引力波，一時間轟動世界，但是之後的質疑聲音不斷。當時的鋁錠探測器，靈敏度較低，現在看來那時很難探測微弱的引力波信號。

兩年前，也曾有人宣稱發現了引力波，可是後來的仔細審查發現其誤差超過了預期。 因此，未來的再次引力波信號到達將打消我們的疑慮。

LIGO探測到引力波的意義何在？

引力波的發現將是物理學100年來最大的突破之一。到此，愛因斯坦全部預言獲得驗證， 這為廣義相對論GR畫上完美句號。

引力波曾經間接被發現，但是直接探測這還是首次。 正如美國科學家所言，引力波的證實是GR的最後一個「拼圖」， GR的其它幾大驗證早就被實驗所證明， 包括：水星近日點進動、光線在引力場偏折、引力紅移、雷達回波時間延遲、黑洞、自旋進動。

引力波通信可以與遙遠的宇宙實施聯絡，而減少干擾；由於電磁波受到大氣層等離子體干擾、太陽風乾擾、以及銀河系電荷干擾，所以電磁信號傳輸距離有限。引力波是物質時空的振蕩，傳播速度與電磁波一樣，但是它是物質加速運動造成的時空能量波動，而不是電磁場的波動， 所以不受宇宙到處分布的電荷干擾。

可以設想，高度文明的外星人已經使用引力波通信技術，進行星際通訊傳播信息，可惜地球人類無法接收其信號；而我們的電磁信號即使傳到其它星球，也可能信息失真，這導致我們彼此在茫茫宇宙中互相尋找，不得知己。

△ 電影《星際穿越》海報

現在，太陽系已經走完45億年歷史，太陽壽命只有100億年，因此逃離太陽系是未來人類必須解決的問題，否則人類將與太陽一起在末日的燃燒中終結。假如藉助引力波通訊技術，接收高智慧的外星人信息，人類獲得更多宇宙的知識，他們將教會我們如何到宇宙深處找到新的家園，讓我們逃離地球的險惡環境，我們可能「傾聽」到外星人的引力波「歌唱」，或許未來與外星人匯合，這將是宇宙生命的終極意義。

作者系中國科學院國家天文台研究員張承民

猜你喜歡

本期監製/唐怡 主編/李浙 侯振海 陳潔

編輯/李偉 江永韜

央視新聞

覺得不錯請點贊
推薦閱讀：