美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金宣布發(fā)現(xiàn)引力波現(xiàn)場(chǎng)。

不少沉浸在春節(jié)假日歡快氛圍中的人們，這兩天都被一條重磅科學(xué)發(fā)現(xiàn)所吸引。美國(guó)科學(xué)家11日宣布，他們利用激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）于去年9月首次直接探測(cè)到引力波，這是人類第一次能夠“聽”到宇宙的“聲音”，并證實(shí)了愛因斯坦在100年前所做的預(yù)測(cè)。

一、引力波是什么？

1．牛頓的描述

牛頓認(rèn)為，月球之所以會(huì)繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，是它們之間存在引力的緣故。這引力像繩子那樣一頭拴著月亮，一頭系著地球。任何兩個(gè)物體之間都存在引力，所以牛頓給出了萬有引力定律。當(dāng)然，萬有引力是無形的，看不見摸不著，卻如一條條鐵鏈拴住世間萬物。

2．愛因斯坦的觀點(diǎn)

牛頓以來的科學(xué)家都認(rèn)為光線是直線傳播的，但在實(shí)際的觀察中發(fā)現(xiàn)，從遙遠(yuǎn)的星球過來的星光經(jīng)過太陽附近時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲。愛因斯坦認(rèn)為，要解決觀測(cè)與理論間的矛盾，只能假設(shè)太陽周圍的空間是彎曲的，這樣光線在其中通過時(shí)，其路徑也彎曲起來。于是他提出了廣義相對(duì)論，用彎曲空間來討論萬有引力的作用：每個(gè)有質(zhì)量的物體周圍都會(huì)出現(xiàn)時(shí)空的“彎曲”。這種彎曲就像在一層橡膠膜上放一顆鐵球產(chǎn)生的凹陷一樣。這時(shí)放在膜上的物體就要順勢(shì)滑向鐵球。如果不滑向鐵球，唯一的辦法就是在凹陷的膜上轉(zhuǎn)動(dòng)。想象一下在漏斗側(cè)壁上滾動(dòng)的小球，只要它的速度合適，就不會(huì)落入漏斗中。同樣，包括地球在內(nèi)的行星都以恰到好處的速度繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng)，因此不會(huì)被太陽這個(gè)“引力漏斗”吸入。

光線在引力下彎曲

愛因斯坦的廣義相對(duì)論論證的一個(gè)重點(diǎn)就是，引力的本質(zhì)是時(shí)空幾何在物質(zhì)影響下的彎曲。1916年，愛因斯坦在廣義相對(duì)論框架下發(fā)表論文，論證了引力的作用以波動(dòng)的形式傳播。這就是引力波的由來。

引力波就像時(shí)空結(jié)構(gòu)中的漣漪，如果把空間想象成一塊巨大的橡膠膜，那些有質(zhì)量的物體就會(huì)讓橡膠膜彎曲，就像我們站在蹦床上時(shí)引起床墊變形一樣。質(zhì)量越大，空間被彎曲得越厲害。

引力波示意圖

只要有質(zhì)量的物體加速，改變了空間形狀，引力波就產(chǎn)生了，你可以想象湖面的漣漪。當(dāng)高密度、大質(zhì)量的物體在宇宙里加速——比如黑洞或者中子星——它們會(huì)在時(shí)空的墊子上泛起漣漪。這些波紋攜帶著大質(zhì)量物體的引力輻射，在廣闊的宇宙中傳播。激光干涉引力波觀測(cè)站的存在就是為了捕捉這種微弱的波動(dòng)。

二、為什么要尋找引力波？

理由之一：它將驗(yàn)證1916年愛因斯坦提出的廣義相對(duì)論。100年前，愛因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在。廣義相對(duì)論的其他預(yù)言如光線的彎曲、水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)以及引力紅移效應(yīng)都已獲證實(shí)，唯有引力波一直徘徊在科學(xué)家的“視線”之外。引力波被證實(shí)存在，意味著時(shí)空確實(shí)是可以扭曲的，愛因斯坦廣義相對(duì)論的最后一塊“拼圖”找齊了。

理由之二：廣義相對(duì)論中預(yù)言的引力波也可以產(chǎn)生于宇宙大爆炸中，這就是說大爆炸之初的引力波在137億年后的今天仍然可以探測(cè)到。一旦我們發(fā)現(xiàn)了宇宙大爆炸時(shí)期的引力波，就可以揭開宇宙的各種謎團(tuán)，甚至了解整個(gè)宇宙的起源和運(yùn)行機(jī)制。

理由之三：引力波是一種時(shí)空漣漪，如同石頭被丟進(jìn)水里產(chǎn)生的波紋。在宇宙中，強(qiáng)引力場(chǎng)天體非常之多，比如超大質(zhì)量黑洞合并，脈沖星自轉(zhuǎn)、超新星爆發(fā)等都是引力波的強(qiáng)有力來源。找到引力波就意味著打開了全新的宇宙觀察視野：可以為我們展示引力的最強(qiáng)狀態(tài)，比如黑洞；能夠讓我們看到物質(zhì)密度最大時(shí)的樣子，比如中子星；還能揭示出星系大爆炸的新信息，比如超新星爆發(fā)，黑洞和中子星的融合。

三、如何探測(cè)引力波？

引力波無法通過電磁輻射直接觀測(cè)，其與宇宙中物質(zhì)的相互作用也極為微弱，因而連愛因斯坦都認(rèn)為引力波在任何能想象的情況下都可以忽略，是很難測(cè)量的，探測(cè)引力波在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)被視為“不可能完成的任務(wù)”。。但今天的科學(xué)家們依然對(duì)此充滿著好奇，希望能夠找到引力波，不上廣義相對(duì)論缺少的這塊“拼圖”。

位于華盛頓州漢福德的干涉儀

上世界90年代初，美國(guó)物理學(xué)家Rainer·Weiss領(lǐng)導(dǎo)的LIGO項(xiàng)目得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金的資助，在美國(guó)的華盛頓州和路易斯安那州分別建造一個(gè)干涉儀，呈現(xiàn)L型排列，利用邁克耳遜干涉儀原理進(jìn)行測(cè)量引力波。

位于路易斯安那州的干涉儀

L型測(cè)量臂很長(zhǎng)，達(dá)到4公里，兩個(gè)測(cè)量臂垂直排列，兩端各有反射鏡面?？茖W(xué)家認(rèn)為激光在測(cè)量反射臂上來回反射，如果干涉條紋發(fā)生了變化，就說明探測(cè)到了引力波事件。2005年之后，激光干涉引力波天文臺(tái)再次進(jìn)行了升級(jí)，使用更高功率的激光器和避震措施，降低誤差。

探測(cè)引力波需要探測(cè)器具有極高的靈敏度，還需區(qū)分開來引力波信號(hào)和環(huán)境或儀器噪聲。10多個(gè)國(guó)家超過1000名科學(xué)家參與了這個(gè)搜尋引力波的項(xiàng)目。

四、等待了50年的新發(fā)現(xiàn)

2015年9月14日北京時(shí)間17點(diǎn)50分45秒，位于利文斯頓與漢福德的兩臺(tái)探測(cè)器同時(shí)觀測(cè)到了后來被命名為GW150914的引力波信號(hào)。LIGO項(xiàng)目的科學(xué)家們花了幾個(gè)月的時(shí)間進(jìn)行驗(yàn)證，最終確認(rèn)探測(cè)到的就是引力波信號(hào)，并于2016年2月11日正式公布。

這個(gè)信號(hào)來自雙黑洞系統(tǒng)的合并。在兩個(gè)黑洞相互接近繞轉(zhuǎn)的過程中，會(huì)不斷朝外輻射引力波，而引力波的輻射會(huì)把兩個(gè)黑洞之間的引力勢(shì)能降低，所以兩個(gè)黑洞的距離會(huì)變小。隨著兩個(gè)黑洞的距離變小，它們之間相互繞轉(zhuǎn)的頻率會(huì)變得更快，最終兩個(gè)黑洞碰撞并合在了一起，這一過程會(huì)放出大量的引力波能量。

兩個(gè)正在旋轉(zhuǎn)合并的黑洞模擬圖

這一輻射的能量有多大，可通過愛因斯坦著名的質(zhì)能方程E=MC²加以計(jì)算。兩個(gè)黑洞的質(zhì)量分別是36個(gè)太陽質(zhì)量和29個(gè)太陽質(zhì)量，其中引力波輻射損失的質(zhì)量大約為3個(gè)太陽質(zhì)量。3個(gè)太陽質(zhì)量的物體變成了能量，相當(dāng)于數(shù)以億億億億計(jì)的原子彈同時(shí)爆炸，其威力相當(dāng)驚人，整個(gè)空間都在顫動(dòng)。這一顫動(dòng)也在13億年后傳到了地球——這就是目前LIGO探測(cè)到的引力波。

簡(jiǎn)而言之就是，3個(gè)太陽的質(zhì)量，變成能量被引力波帶走了，傳播速度跟光速一致。這是人類第一次探測(cè)到引力波，也是人類第一次探測(cè)到雙黑洞合并。

在這個(gè)讓物理學(xué)家50年來望眼欲穿的、持續(xù)時(shí)間不到一秒鐘的事件中，4對(duì)在真空中相距4公里的40千克的玻璃鏡子的距離，以原子核尺寸千分之一大小的振幅振動(dòng)了十幾次。這樣微乎其微的振動(dòng)，被打在這些鏡子上的100千瓦的激光讀出，讓人類第一次“近距離的接觸”了黑洞，觀察到了黑洞附近時(shí)間和空間的高度扭曲和脈動(dòng)。

激光干涉引力波觀測(cè)站兩個(gè)干涉儀收到的引力波信號(hào)數(shù)據(jù)波形

引力波探測(cè)的成功，為人類觀察宇宙提供了一個(gè)嶄新的窗口?？梢灶A(yù)計(jì)，未來更多的雙黑洞時(shí)間，會(huì)讓我們更清晰地了解黑洞附近的時(shí)空幾何，更令人期待的是，一些未知源的引力波也可能被探測(cè)到。

還是那句話，我們所知道的僅僅是冰山一角，還有很多未知的世界等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)?？茖W(xué)研究才剛剛開始，好戲還在后頭呢。