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LIGO發(fā)現(xiàn)引力波 驗(yàn)證愛因斯坦百年預(yù)言

計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生強(qiáng)大引力波的黑洞圖像。

“女士們先生們，我們檢測(cè)了引力波。我們做到了!”美東時(shí)間2016年2月11日10點(diǎn)30分(北京時(shí)間23點(diǎn)30分)，美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)執(zhí)行主任大衛(wèi)•瑞茲宣布，科學(xué)家們尋找引力波的努力終于收獲成果，此時(shí)，距離1916年愛因斯坦預(yù)言引力波存在剛好一百年。

引力波是加速中的質(zhì)量在時(shí)空中所產(chǎn)生的波動(dòng)，也被比喻為時(shí)空的“漣漪”。阿爾伯特•愛因斯坦在1916年提出廣義相對(duì)論，認(rèn)為引力是由于質(zhì)量所引發(fā)的時(shí)空扭曲所造成，任何有質(zhì)量的物體加速運(yùn)動(dòng)都會(huì)對(duì)周圍的時(shí)空產(chǎn)生影響，其作用的形式就是引力波。

世界科學(xué)界公認(rèn)，引力波探測(cè)是難度最大的尖端科技之一，也是一項(xiàng)意義重大的物理學(xué)基礎(chǔ)研究。作為愛因斯坦廣義相對(duì)論中最重要但一直未被證實(shí)的預(yù)言，引力波是物理學(xué)王冠上最耀眼的一顆明珠，一旦探測(cè)成功，將是人類認(rèn)知史上具有里程碑意義的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

在華盛頓舉行的新聞發(fā)布會(huì)上，LIGO宣布了數(shù)月間傳言不斷的關(guān)于引力波的大發(fā)現(xiàn)，印證了愛因斯坦的預(yù)言。

大衛(wèi)•瑞茲表示，正如望遠(yuǎn)鏡開辟了現(xiàn)代觀測(cè)天文學(xué)，引力波的發(fā)現(xiàn)，開辟了觀測(cè)宇宙一扇新窗。

時(shí)空的漣漪

大熱的科幻小說(shuō)《三體》中，“引力波天線”曾經(jīng)拯救了幾乎快要被滅族的人類。而電影《星際穿越》中，男主角甚至通過(guò)引力波穿越時(shí)間和空間給女兒傳遞了信息。

理論上，引力波在宇宙中無(wú)處不在，但非常微弱，只有像超新星爆發(fā)、中子星與黑洞等天體相撞，才會(huì)產(chǎn)生足夠強(qiáng)烈的引力波。探測(cè)到引力波，是對(duì)廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

根據(jù)廣義相對(duì)論,一對(duì)黑洞在相互繞轉(zhuǎn)過(guò)程中通過(guò)引力波輻射而損失能量,逐漸靠近。這一過(guò)程持續(xù)數(shù)十億年,在最后幾分鐘里面快速演化。在最后時(shí)刻,兩個(gè)黑洞以幾乎是一半光速的超高速度碰撞在一起,形成一個(gè)質(zhì)量更大的黑洞。

根據(jù)愛因斯坦的E=mc2公式,這個(gè)過(guò)程中一部分的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成了能量,而這些能量在最后時(shí)刻以引力波超強(qiáng)爆發(fā)的形式輻射出去。

五個(gè)月前，LIGO真實(shí)地捕捉到了這樣的信號(hào)。世界協(xié)調(diào)時(shí)間2015年9月14日9:51(北京時(shí)間17:51分)，位于美國(guó)路易斯安那州列文斯頓和華盛頓州漢福德的兩個(gè)LIGO探測(cè)器探測(cè)到了引力波信號(hào)。

研究者們這次檢測(cè)到引力波，是由距離地球13億光年之外的兩個(gè)黑洞合并產(chǎn)生的?；谟^測(cè)到的信號(hào)估算，兩個(gè)黑洞的質(zhì)量大約分別是太陽(yáng)質(zhì)量的29和36倍。13億年前，大約三倍于太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)在短短一秒之內(nèi)被轉(zhuǎn)化成引力波，其功率峰值是整個(gè)可見宇宙總功率的50倍，這一引力波首先到達(dá)列文斯頓探測(cè)器，7毫秒之后到達(dá)漢福德探測(cè)器,這意味著引力波源位于南半球天區(qū)。

引力波競(jìng)賽

除了科學(xué)家們多年不懈的努力，探測(cè)引力波的成功關(guān)鍵還是技術(shù)的提升。目前LIGO的探測(cè)設(shè)備已經(jīng)升級(jí)，相比于第一代LIGO探測(cè)器,靈敏度大大增強(qiáng)，從而大大增加了可探測(cè)的宇宙空間，最終，在其第一次觀測(cè)運(yùn)行中就發(fā)現(xiàn)引力波。

1992年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)批準(zhǔn)了建設(shè)LIGO的第一筆資金，這在當(dāng)時(shí)是NSF有史以來(lái)最大的一筆投資。“雖然有很大的風(fēng)險(xiǎn)，但NSF決定要承擔(dān)這樣的風(fēng)險(xiǎn),”NSF主任弗朗絲•崗多瓦(France Córdova)表示。

LIGO天文臺(tái)由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金資助,由加州理工學(xué)院和麻省理工學(xué)院構(gòu)思、建造、運(yùn)行。而最終證實(shí)發(fā)現(xiàn)引力波，是多國(guó)科學(xué)家協(xié)作的成果。LIGO科學(xué)合作組織包括GEO600組織、澳大利亞干涉引力天文協(xié)會(huì)等，意大利的Virgo項(xiàng)目也貢獻(xiàn)了兩臺(tái)LIGO探測(cè)器的數(shù)據(jù)。最終，發(fā)表在物理評(píng)論快訊(Physical Review Letters)期刊，共有1004位作者。

引力波存在的第一個(gè)證據(jù)發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)70年代,美國(guó)科學(xué)家羅素•赫爾斯(Russell Hulse)和約瑟夫•泰勒(Joseph Taylor)在1974年觀測(cè)到一個(gè)脈沖星與另一個(gè)中子星相互繞轉(zhuǎn)組成的雙星系統(tǒng)，由于輻射引力波,脈沖星的軌道緩慢地縮小,觀測(cè)到的軌道變化率與相對(duì)論的預(yù)言高度一致。這項(xiàng)工作也讓兩位科學(xué)家獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

除了LIGO之外，目前國(guó)際上的引力波探測(cè)計(jì)劃還包括意法合作的VIRGO，英德合作的GEO600米，日本的TAMA300和LCGT工程。

2000年，歐洲航天局曾宣布，將與美國(guó)合作共同實(shí)施“激光干涉空間天線(LISA)計(jì)劃，發(fā)射3顆衛(wèi)星，組成一個(gè)邊長(zhǎng)為500萬(wàn)公里的巨大三角形，它們之間以激光束相連，在太空中進(jìn)行觀測(cè)。

多年后，美國(guó)由于經(jīng)費(fèi)問(wèn)題選擇了退出，歐洲也出于節(jié)省經(jīng)費(fèi)的目的，推出了一個(gè)縮小版的ELISA計(jì)劃，但原定2012年發(fā)射的第一顆實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，已經(jīng)被推遲到了2018年。

在中國(guó)，上世紀(jì)70年代，引力波探測(cè)被楊振寧稱為“投錢少，有重大科學(xué)意義”的研究領(lǐng)域，曾經(jīng)在中國(guó)引起過(guò)熱潮。

上世紀(jì)七十年代中山大學(xué)引力物理研究室建設(shè)常溫共振型引力波天線，其測(cè)量靈敏度為當(dāng)時(shí)國(guó)際同類引力波天線的最高水平之一。1979年7月在意大利召開的第二屆格拉斯曼廣義相對(duì)論國(guó)際會(huì)議上，來(lái)自中山大學(xué)的陳嘉言教授，由于在引力波研究方面的貢獻(xiàn)，被聘為會(huì)議顧問(wèn)委員會(huì)委員。這是中國(guó)的引力波研究第一次被國(guó)際社會(huì)認(rèn)可。

然中國(guó)的引力波研究曾出現(xiàn)了十余年的中斷。2008年，在中科院力學(xué)所國(guó)家微重力實(shí)驗(yàn)室胡文瑞院士的推動(dòng)下，中科院多個(gè)研究所及院外科研單位共同成立了科學(xué)院空間引力波探測(cè)工作組，開始探索中國(guó)空間引力波探測(cè)的可行性。這一項(xiàng)目被列入中科院空間科學(xué)2050年規(guī)劃。

“這個(gè)發(fā)現(xiàn)僅僅是人類探測(cè)引力波的開端，”中山大學(xué)天文與空間科學(xué)研究院院長(zhǎng)李淼對(duì)財(cái)新記者表示，引力波從此從理論上的存在變成了事實(shí)上的存在。

中山大學(xué)正在籌備的“天琴計(jì)劃”也以引力波研究為中心，該計(jì)劃將開展空間引力波探測(cè)計(jì)劃任務(wù)的預(yù)先研究，制定中國(guó)空間引力波探測(cè)計(jì)劃的實(shí)施方案和路線圖，并開展關(guān)鍵技術(shù)研究。

李淼介紹，中國(guó)目前在進(jìn)行的引力波研究，主要還是胡文瑞等科學(xué)家將要參加的ELISA項(xiàng)目，而中國(guó)本土的的天琴項(xiàng)目還在進(jìn)展中，還沒能獲得政府部門的立項(xiàng)，目前還不能確立未來(lái)的發(fā)展方向。

歐洲的ELISA計(jì)劃之前進(jìn)展緩慢，很大程度上因?yàn)闅W洲各國(guó)口徑不一致，現(xiàn)在證實(shí)了引力波存在，ELISA探測(cè)進(jìn)度會(huì)加快，李淼表示，引力波的發(fā)現(xiàn)，會(huì)進(jìn)一步刺激各國(guó)的研究進(jìn)度，世界各地的引力波研究計(jì)劃將很快推進(jìn),中國(guó)本土研究的進(jìn)展也會(huì)加快。

“引力波的發(fā)現(xiàn)并不是一場(chǎng)競(jìng)賽，我們也沒有競(jìng)爭(zhēng)者，我們打開了一扇窗戶，還希望通過(guò)更多科學(xué)家的共同努力，打開更多的探索宇宙之窗。”LIGO項(xiàng)目的發(fā)言人加布里埃拉•岡薩雷斯(Gabriela González)對(duì)財(cái)新記者表示。