百年引力波的魅力

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

　　從1916年愛(ài)因斯坦在《德國(guó)物理學(xué)》雜志上發(fā)表《廣義相對(duì)論基礎(chǔ)》一文，到2016年2月11日美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)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(cè)到了引力波，人類(lèi)對(duì)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(duì)此執(zhí)著研究？

　　如同船在水中引起的漣漪

　　2015年，美國(guó)科幻、奇幻和恐怖電影學(xué)院將土星獎(jiǎng)最佳影片頒給了電影《星際穿越》，這部電影關(guān)于時(shí)間空間的闡述手法令人稱(chēng)奇，而影片的科學(xué)顧問(wèn)就是今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主之一基普·索恩，他的獲獎(jiǎng)原因是構(gòu)思和設(shè)計(jì)激光干涉儀引力波天文臺(tái)LIGO，對(duì)直接探測(cè)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(fèi)曼理論物理學(xué)教授，奠定了引力波探測(cè)的理論基礎(chǔ)，開(kāi)創(chuàng)了引力波波形計(jì)算以及數(shù)據(jù)分析的研究方向。辭去費(fèi)曼教授職務(wù)后，他開(kāi)始鐘情于電影，第一部就是與諾蘭合作的《星際穿越》。

　　事實(shí)上，引力波也是在解釋空間和時(shí)間的關(guān)系，愛(ài)因斯坦在《廣義相對(duì)論基礎(chǔ)》一文中認(rèn)為，空間、時(shí)間是一個(gè)整體，引力不是通常意義下的力，而是時(shí)空彎曲的一種表現(xiàn)，本質(zhì)是一種幾何現(xiàn)象。這種時(shí)空彎曲的曲率與處于時(shí)空中的物質(zhì)直接相聯(lián)系，物質(zhì)的存在會(huì)使周?chē)臅r(shí)空發(fā)生彎曲，并且會(huì)以光速向四周傳播，這種波動(dòng)即為引力波。

　　簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，廣義相對(duì)論認(rèn)為，大到天體，小到人類(lèi)本身，在運(yùn)動(dòng)時(shí)都會(huì)使周?chē)臅r(shí)空產(chǎn)生漣漪，就如同船在水中移動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生水波一樣，船是物質(zhì)，水好比是時(shí)空，水產(chǎn)生的波動(dòng)就是引力波。只不過(guò)，這樣的波動(dòng)非常不易察覺(jué)，這使得愛(ài)因斯坦的引力波理論在很長(zhǎng)一段時(shí)期都沒(méi)有得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

　　從一個(gè)公式發(fā)展到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)

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

　　一般來(lái)說(shuō)，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(huì)產(chǎn)生巨大的引力波，不過(guò)，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(kāi)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?jiàn)的天狼星就是雙星，其伴星為白矮星。

　　相對(duì)而言，雙星系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)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(cè)出雙星變化周期律與廣義相對(duì)論中的公式相符，就能間接證實(shí)引力波的存在。美國(guó)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(cè)定周期變化率，與廣義相對(duì)論公式給出的理論值不超過(guò)1%。兩人最終因此成功獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

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

　　因?yàn)閷?duì)引力波探測(cè)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(jiǎng)。而在上世紀(jì)90年代，包括美、法、意、德、英、日、澳等多個(gè)國(guó)家在內(nèi)，都獨(dú)立或合作建造了激光干涉引力波探測(cè)器，并且組成一個(gè)國(guó)際觀(guān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，只要一個(gè)觀(guān)測(cè)器收到信號(hào)，就能數(shù)據(jù)共享。

　　中國(guó)人不會(huì)缺席

　　即便建立了觀(guān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，想要觀(guān)測(cè)到引力波信號(hào)也絕非易事。例如去年探測(cè)到的引力波信號(hào)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(yáng)與36顆太陽(yáng)，最后合并成一顆62倍太陽(yáng)質(zhì)量高速旋轉(zhuǎn)的黑洞，在信號(hào)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(shí)驗(yàn)儀器怎樣的反應(yīng)呢？實(shí)驗(yàn)設(shè)備4公里的臂長(zhǎng)，改變了相當(dāng)于質(zhì)子直徑萬(wàn)分之一的長(zhǎng)度，相當(dāng)于太陽(yáng)與最近恒星之間的距離，改變了一個(gè)頭發(fā)絲的寬度。

　　那么，觀(guān)測(cè)到這“萬(wàn)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(hào)需要距離很遠(yuǎn)的兩個(gè)地方同時(shí)檢測(cè)到才算數(shù)。探測(cè)到GW150914信號(hào)的兩個(gè)探測(cè)站，分別位于美國(guó)的華盛頓州和路易斯安納州，相距3000公里。

　　各國(guó)之所以投入巨資用于引力波探測(cè)，是因?yàn)橐Σ▽?duì)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(guò)一切天體，遙遠(yuǎn)恒星的光會(huì)被其它介質(zhì)阻擋，但其產(chǎn)生的引力波不會(huì)。這就使得人類(lèi)了解天體信息的渠道增加了，進(jìn)一步研究之下，也將對(duì)天體物理學(xué)和相對(duì)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(lái)產(chǎn)生科技革命也不是沒(méi)有可能。

　　在引力波的探測(cè)上，中國(guó)人也沒(méi)有缺席。最近一次引力波事件發(fā)生時(shí)，全球僅有4臺(tái)X射線(xiàn)和伽馬射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡成功監(jiān)測(cè)到爆發(fā)天區(qū)，而中國(guó)的“慧眼”就是其中一臺(tái)，而且在四臺(tái)望遠(yuǎn)鏡里面有效面積和時(shí)間分辨率最高。

　　目前，我國(guó)已經(jīng)啟動(dòng)了由中山大學(xué)領(lǐng)銜的“天琴計(jì)劃”和中科院高能物理研究所主導(dǎo)的“阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”，前者是去太空捕捉引力波，將分四個(gè)階段約20年實(shí)施；后者是在地面探測(cè)原初引力波，利用高海拔優(yōu)勢(shì)開(kāi)展北半球首個(gè)搜尋原初引力波的望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃。