百年引力波的魅力

　　10月16日，南京紫金山天文臺對外發(fā)布一項重大發(fā)現(xiàn)，我國南極巡天望遠(yuǎn)鏡追蹤探測到首例引力波事件光學(xué)信號。另外，我國第一顆空間X射線天文衛(wèi)星——“慧眼”望遠(yuǎn)鏡在此次引力波事件發(fā)生時，成功檢測了引力波源所在的天區(qū)。

　　從1916年愛因斯坦在《德國物理學(xué)》雜志上發(fā)表《廣義相對論基礎(chǔ)》一文，到2016年2月11日美國國家科學(xué)基金會攜加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院和LIGO科學(xué)合作組織的科學(xué)家宣布首次直接探測到了引力波，人類對引力波的探索已經(jīng)有百年歷程。那么，引力波到底是什么，為什么一代代科學(xué)家都對此執(zhí)著研究？

　　如同船在水中引起的漣漪

　　2015年，美國科幻、奇幻和恐怖電影學(xué)院將土星獎最佳影片頒給了電影《星際穿越》，這部電影關(guān)于時間空間的闡述手法令人稱奇，而影片的科學(xué)顧問就是今年諾貝爾物理學(xué)獎得主之一基普·索恩，他的獲獎原因是構(gòu)思和設(shè)計激光干涉儀引力波天文臺LIGO，對直接探測引力波作出杰出貢獻(xiàn)。

　　在2009年以前，基普·索恩一直擔(dān)任加州理工學(xué)院費曼理論物理學(xué)教授，奠定了引力波探測的理論基礎(chǔ)，開創(chuàng)了引力波波形計算以及數(shù)據(jù)分析的研究方向。辭去費曼教授職務(wù)后，他開始鐘情于電影，第一部就是與諾蘭合作的《星際穿越》。

　　事實上，引力波也是在解釋空間和時間的關(guān)系，愛因斯坦在《廣義相對論基礎(chǔ)》一文中認(rèn)為，空間、時間是一個整體，引力不是通常意義下的力，而是時空彎曲的一種表現(xiàn)，本質(zhì)是一種幾何現(xiàn)象。這種時空彎曲的曲率與處于時空中的物質(zhì)直接相聯(lián)系，物質(zhì)的存在會使周圍的時空發(fā)生彎曲，并且會以光速向四周傳播，這種波動即為引力波。

　　簡單來說，廣義相對論認(rèn)為，大到天體，小到人類本身，在運動時都會使周圍的時空產(chǎn)生漣漪，就如同船在水中移動時會產(chǎn)生水波一樣，船是物質(zhì)，水好比是時空，水產(chǎn)生的波動就是引力波。只不過，這樣的波動非常不易察覺，這使得愛因斯坦的引力波理論在很長一段時期都沒有得到實驗驗證。

　　從一個公式發(fā)展到一個網(wǎng)絡(luò)

　　引力波探測的困難，與宇宙的浩瀚不無關(guān)系。探測引力波的方式，是利用引力波的潮汐效應(yīng)，探測引力波作用下兩個物體之間的距離變化，而這種變化，是非常微小的。

　　一般來說，如果宇宙中發(fā)生了超新星爆發(fā)、黑洞形成的“大事件”，相應(yīng)天體會產(chǎn)生巨大的引力波，不過，這樣的現(xiàn)象具有非常大的偶然性，很難遇到并恰好捕捉到。于是，科學(xué)家們開始關(guān)注另一種天體，一種可以發(fā)出連續(xù)引力波的天體——雙星。雙星是兩顆繞著共同的重心旋轉(zhuǎn)的恒星，人們?nèi)庋劭梢姷奶炖切蔷褪请p星，其伴星為白矮星。

　　相對而言，雙星系統(tǒng)運動狀態(tài)穩(wěn)定，引力波輻射可以導(dǎo)致繞轉(zhuǎn)頻率加快，軌道周期變小，如果能測出雙星變化周期律與廣義相對論中的公式相符，就能間接證實引力波的存在。美國馬薩諸塞大學(xué)的赫爾斯和泰勒于1974年用射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了第一顆脈沖雙星PSR1913+16，并于4年后測定周期變化率，與廣義相對論公式給出的理論值不超過1%。兩人最終因此成功獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

　　就在赫爾斯和泰勒探測脈沖雙星的同時期，麻省理工學(xué)院的雷納·韋斯和馬布里休斯實驗室的羅伯特·佛瓦德分別建造了激光干涉引力波探測器，探測器有兩個相互垂直、長度相等的干涉雙臂，當(dāng)有引力波通過時，一臂拉升一臂壓縮，光電接收器的光強(qiáng)就會發(fā)生變化

　　因為對引力波探測作出的貢獻(xiàn)，雷納·韋斯也獲得了今年的諾貝爾物理學(xué)獎。而在上世紀(jì)90年代，包括美、法、意、德、英、日、澳等多個國家在內(nèi)，都獨立或合作建造了激光干涉引力波探測器，并且組成一個國際觀測網(wǎng)絡(luò)，只要一個觀測器收到信號，就能數(shù)據(jù)共享。

　　中國人不會缺席

　　即便建立了觀測網(wǎng)絡(luò)，想要觀測到引力波信號也絕非易事。例如去年探測到的引力波信號GW150914，是13億光年之外兩顆黑洞合并最后階段產(chǎn)生的，相當(dāng)于29顆太陽與36顆太陽，最后合并成一顆62倍太陽質(zhì)量高速旋轉(zhuǎn)的黑洞，在信號釋放到宇宙空間13億年后抵達(dá)地球。那么，如此巨大星球合并產(chǎn)生的引力波引起了實驗儀器怎樣的反應(yīng)呢？實驗設(shè)備4公里的臂長，改變了相當(dāng)于質(zhì)子直徑萬分之一的長度，相當(dāng)于太陽與最近恒星之間的距離，改變了一個頭發(fā)絲的寬度。

　　那么，觀測到這“萬分之一質(zhì)子直徑”的變化，需要多精準(zhǔn)的儀器呢？為了排除地震、聲波等干擾，引力波信號需要距離很遠(yuǎn)的兩個地方同時檢測到才算數(shù)。探測到GW150914信號的兩個探測站，分別位于美國的華盛頓州和路易斯安納州，相距3000公里。

　　各國之所以投入巨資用于引力波探測，是因為引力波對于天文學(xué)和物理學(xué)研究有重要作用。人們最初了解宇宙的方式，是仰望星空，但是，光并不能穿透一切物質(zhì)，而引力波則可以幾乎不受阻擋地穿過一切天體，遙遠(yuǎn)恒星的光會被其它介質(zhì)阻擋，但其產(chǎn)生的引力波不會。這就使得人類了解天體信息的渠道增加了，進(jìn)一步研究之下，也將對天體物理學(xué)和相對論宇宙學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。有的科學(xué)家甚至認(rèn)為，引力波的發(fā)現(xiàn)如同電磁波一樣，在未來產(chǎn)生科技革命也不是沒有可能。

　　在引力波的探測上，中國人也沒有缺席。最近一次引力波事件發(fā)生時，全球僅有4臺X射線和伽馬射線望遠(yuǎn)鏡成功監(jiān)測到爆發(fā)天區(qū)，而中國的“慧眼”就是其中一臺，而且在四臺望遠(yuǎn)鏡里面有效面積和時間分辨率最高。

　　目前，我國已經(jīng)啟動了由中山大學(xué)領(lǐng)銜的“天琴計劃”和中科院高能物理研究所主導(dǎo)的“阿里實驗計劃”，前者是去太空捕捉引力波，將分四個階段約20年實施；后者是在地面探測原初引力波，利用高海拔優(yōu)勢開展北半球首個搜尋原初引力波的望遠(yuǎn)鏡計劃。