晨陽

引力波被直接探測到，成為宇宙暴脹和大爆炸理論的強烈證據(jù)，也讓人類探索宇宙奧秘多了一項重要的工具，我們將以前所未有的方式看到塑造宇宙的力量。

當美國國家科學(xué)基金會、加州理工學(xué)院和麻省理工學(xué)院的研究團隊2月11日宣布，美國的激光干涉引力波天文臺（LIGO）宣布已經(jīng)于去年9月首次探測到引力波，證實了愛因斯坦100年前所做的預(yù)測，整個科學(xué)界都為之轟動了。就連一般的普通人，也被鋪天蓋地刷屏的引力波相關(guān)文章，著著實實地進行了一次科普洗腦。

2016 年2 月11 日，美國華盛頓，美國科研人員11 日宣布， 他們利用激光干涉引力波天文臺（LIGO） 于去年9 月首次探測到引力波，證實了愛因斯坦100年前所做的預(yù)測。

愛因斯坦1915年發(fā)表廣義相對論時即預(yù)言有引力波存在。經(jīng)過一個世紀，廣義相對論的其他預(yù)言，如重力令光線彎曲、水星在近日點的移動幅度和重力紅移（光在引力場中會向紅端移動）等，都先后獲證實，唯獨引力波的存在只有間接證據(jù)。如今人類終于直接探測到了引力波的存在，為100年前發(fā)表的廣義相對論預(yù)言合上了最后一塊拼圖，這也是對這位科學(xué)巨匠最好的紀念。

探尋宇宙奧秘的工具

愛因斯坦在廣義相對論提出，物質(zhì)在時空中運動時，附近的時空曲率會隨之改變。如果是大質(zhì)量物體運動，例如兩個黑洞碰撞，所產(chǎn)生的曲率變化會像波一樣向外傳播，導(dǎo)致時空壓縮、伸展，這就是引力波。引力波以光速傳遞，無法加以阻擋或阻撓。但是由于引力波產(chǎn)生的時空扭曲非常微小，在此之前科學(xué)家從未成功觀測到，引力波的探測之路并不平坦。

第一個對直接探測引力波作為偉大嘗試的人是馬里蘭大學(xué)物理學(xué)家約瑟夫·韋伯。早在上個世紀50年代，他第一個充滿遠見地認識到，探測引力波不是沒有可能。1969年，他宣布用自己發(fā)明的一個探測器—— 一個約2米長、直徑約1米寬的鋁制圓柱體——發(fā)現(xiàn)了引力波，當該探測器受到引力波撞擊時會產(chǎn)生“振鈴效應(yīng)”。然而，他的研究結(jié)果卻未能得到復(fù)制，而且該結(jié)果最終除了其本人以外，幾乎遭到了所有物理學(xué)家的反對。盡管如此，他的研究依然吸引了很多研究人員加入到引力波探測的隊列之中。

得到更加廣泛認可的一項發(fā)現(xiàn)來自馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的約瑟夫·泰勒及其研究生羅素·赫爾斯。兩人于1974年發(fā)現(xiàn)了首顆脈沖雙星，它由在近距離軌道上相互作用的兩顆中子星構(gòu)成，而且它們在以愛因斯坦理論預(yù)測的精確速率向內(nèi)呈螺旋狀運作——表明引力波可能在帶走它們的能量。這一發(fā)現(xiàn)被認為是觀察到引力波的間接證據(jù)，并讓赫爾斯和泰勒摘得1993年的諾貝爾物理學(xué)獎桂冠。

韋伯設(shè)計建造的共振棒的局限性，使得科學(xué)家們從70年代開始，嘗試用激光干涉儀來尋找引力波的蹤跡。這次宣布直接探測到引力波的LIGO團隊在美國首都華盛頓及路易斯安那州各安裝了一塊巨型鏡片，再發(fā)射激光，讓光束在兩塊鏡片之間往來穿梭，進而檢測光束內(nèi)的信號干擾，借此尋找引力波。

終于，當宇宙深處的兩個黑洞于約13億年前碰撞所傳送出的引力波擾動，在2015年9月14日抵達地球，被地球上的LIGO天文臺的精密儀器偵測到。而研究人員當時并沒有覺察，在大約半小時后才發(fā)現(xiàn)了這一驚人的現(xiàn)象?？茖W(xué)家花費數(shù)個月時間驗證數(shù)據(jù)并通過審查程序，才宣布這個信息，標志著全球各地研究團隊數(shù)十年努力的最高潮。

眾里尋它千百度。近一個世紀的求索后，人類終于聆聽到宇宙深處的聲音。引力波被直接探測到，成為宇宙暴脹和大爆炸理論的強烈證據(jù)，也讓人類探索宇宙奧秘多了一項重要的工具，我們將以前所未有的方式看到塑造宇宙的力量。

資助這項研究的美國國家科學(xué)基金會負責(zé)人柯多瓦表示：“如同伽利略首度把他的望眼鏡指向天空，這項對天空的新觀測，將會加深我們對宇宙的理解，引發(fā)超乎預(yù)料的發(fā)現(xiàn)?！?/p>

不少物理學(xué)家指這發(fā)現(xiàn)堪稱過去25年最重要的宇宙學(xué)成就，未來10年將深刻改變對宇宙的認識。德國馬克斯·普朗克重力物理研究所物理學(xué)家艾倫表示：“首次發(fā)現(xiàn)重力波可穩(wěn)奪諾貝爾獎?！?/p>

英國著名天文物理學(xué)大師霍金也表示，他相信這是科學(xué)史上重要的一刻。他在接受英國廣播公司（BBC）專訪時表示：“引力波提供看待宇宙的嶄新方式，發(fā)現(xiàn)它們的能力，有可能使天文學(xué)起革命性的變化。這項發(fā)現(xiàn)是首度發(fā)現(xiàn)黑洞的二元系統(tǒng)，是首度觀察到黑洞融合?！薄俺藱z驗（愛因斯坦的）廣義相對論，我們可以期待透過宇宙史看到黑洞。我們甚至可以看到宇宙大爆炸時期初期宇宙的遺跡、看到其一些最大的能量”，霍金說。

中國力量助力探測

其實，引力波并不是什么新鮮事物。按照愛因斯坦的理論，整個宇宙都一直沉浸在引力波中。在科幻文學(xué)作品和影視中，引力波也多次出現(xiàn)過。

在電影《星際穿越》中，主人公Cooper通過引力波穿越時間和空間給女兒Murph傳遞了信息，正如有篇著名的影評所說：“能夠穿越星際的，不止引力波，還有愛。”

而在中國作家的筆下，引力波也早就被提及。

世界華人科幻協(xié)會會長、北京師范大學(xué)教授吳巖在1981年還是一個高中學(xué)生時，就在《科幻世界》雜志上發(fā)表了一篇科幻小說，小說中這樣寫道：“遙控開關(guān)啟動了引力波武器。真沒想到，引力波武器還有這種說不出的能力。……他揉揉眼睛，望見陶博士正在綠色小屋里翻看著雜亂的陳設(shè)和引力波控制系統(tǒng)?！?p>

2016 年2 月11 日， 耶路撒冷，希伯來大學(xué)的愛因斯坦檔案館館長RoniGross 展示愛因斯坦有關(guān)引力波的原始文件。

榮獲2015年科幻文壇大獎“雨果獎”，由我國著名科幻作家劉慈欣創(chuàng)作的小說《三體》中，用到了大量的物理學(xué)設(shè)定，其中就有引力波。書中寫道：“羅輯一家遠遠地就看到了引力波天線，但車行駛了半小時才到它旁邊。這時他們才真正感受到它的巨大?！?在《三體》中，羅輯靠引力波天線與三體世界建立了恐怖平衡，拯救了危在旦夕的人類。

實際上，《三體》的作者劉慈欣并不只在這一部作品中引入了引力波的概念。在他的另一篇科幻小說《朝聞道》中，引力波同樣成為了在宇宙間傳遞信息的工具：人類接觸到的高等宇宙文明，就是通過破譯引力波，獲得了宇宙終極問題的答案。

當然，關(guān)注引力波的，并不只有中國作家。美國“激光干涉引力波天文臺”（LIGO）成功探測到引力波，而在這耀眼的成功光環(huán)背后，是十多個國家、千余名研究人員的艱辛付出，這其中也不乏中國人的身影。

2009年，清華大學(xué)被LIGO科學(xué)合作組織（LSC）接受為正式成員，也是目前中國大陸唯一的LSC成員。作為清華大學(xué)LIGO工作組負責(zé)人，清華大學(xué)信息技術(shù)研究院研究員、LSC理事會成員曹軍威向媒體介紹，中國清華大學(xué)的科研團隊應(yīng)用先進計算技術(shù)提高引力波數(shù)據(jù)分析的速度和效率，以高精度的數(shù)據(jù)分析能力幫助“凈化”了引力波探測中的干擾信號，為最終成就了引力波探測的成功做出了突出貢獻。

中國沒有失去機會

引力波探測原本可能是中國科學(xué)家獲得諾貝爾獎最重要的機會之一。但是LIGO這次的發(fā)現(xiàn)，會不會讓中國人的期望再次落空呢？

1971年楊振寧首次訪華時，曾告訴中科院高能所的專家，利用韋伯棒探測引力波，是一個“投錢少，有重大科學(xué)意義”的課題。1979年7月在意大利召開的第二屆格拉斯曼廣義相對論國際會議上，來自中山大學(xué)的陳嘉言教授，由于在引力波研究方面的貢獻，被聘為會議顧問委員會委員。這是中國的引力波研究第一次被國際社會認可。

不過遺憾的是，在探測引力波的道路上，當時中國沒能系統(tǒng)性地堅持下去。高能所在1988年就停止了這方面研究，中山大學(xué)因為和斯坦福大學(xué)做聯(lián)合測量，又持續(xù)了一段時間，后來專家們都相繼退休了。此后，做引力波項目的人要么退休、要么轉(zhuǎn)行，要么出國。

這段空白造成的最大損失，是人才上的斷層和工程技術(shù)發(fā)展的機會。

好在2008年，在中科院力學(xué)所國家微重力實驗室胡文瑞院士的推動下，中科院多個研究所及院外科研單位共同成立了科學(xué)院空間引力波探測工作組，開始探索中國空間引力波探測的可行性。這一項目被列入中科院空間科學(xué)2050年規(guī)劃。

去年7月23日，中國的引力波探測工程“天琴計劃”開始啟動。牽頭這一計劃的中山大學(xué)發(fā)布招聘啟事，面向全球招募千人、青年千人、教授（含長江學(xué)者特聘教授）、副教授、講師、研究員和博士后。天琴計劃將需要一百人左右的教師團體，四五百人左右的研究、工程技術(shù)人員以及博士后。

據(jù)悉，這項計劃的部分關(guān)鍵技術(shù)研究已有具體進展，目前正在立項中。根據(jù)目前的設(shè)想，天琴計劃主要將分四階段實施：第一階段完成月球/衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)、大型激光陀螺儀等天琴計劃地面輔助設(shè)施;第二階段完成無拖曳控制、星載激光干涉儀等關(guān)鍵技術(shù)驗證，以及空間等效原理實驗檢驗;第三階段完成高精度慣性傳感、星間激光測距等關(guān)鍵技術(shù)驗證，以及全球重力場測量;第四階段完成所有空間引力波探測所需的關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)射三顆地球高軌衛(wèi)星進行引力波探測。完成全部四個子計劃，大約需要20年的時間，投資大約150億。

就在天琴計劃剛剛開始的時候，就傳來LIGO已經(jīng)發(fā)現(xiàn)引力波的消息，是不是中國人就沒有了機會？

引力波論文作者之一、LIGO科學(xué)聯(lián)盟核心成員、加州理工學(xué)院教授陳雁北表示，地面和天空探測是不同的波段，不同的波段會有不同現(xiàn)象，能看到不同的東西。如果考慮到地面已經(jīng)探測到引力波，對于空間探測將是一個鼓勵，“天琴計劃”很可能會相比地面探測到的黑洞更大，可能看到星系中心大質(zhì)量黑洞的并合過程，它們可以研究了解到宇宙早期星系演化的過程，這個是地面上探測不到的，因此“天琴計劃”可以探測到更多新的信息，兩個項目研究是完全沒有矛盾的。

西澳大利亞大學(xué)的戴維·布萊爾曾經(jīng)這樣說過，實際上這一領(lǐng)域還有廣闊的未來，未來50年內(nèi)，我們能夠看到大量來自關(guān)于時空、黑洞、引力與量子力學(xué)關(guān)系的研究獲得諾貝爾獎，而引力波天文學(xué)是這些研究最重要的工具。在2011年的一次香山科學(xué)會議上，與會的專家也認為，探測引力波工程，將可以催生不是一個而是一批諾貝爾獎。

中山大學(xué)天文與空間科學(xué)研究院院長李淼表示，中國要做強國，在基礎(chǔ)物理和航天方面一定要加大發(fā)展力度。中國現(xiàn)在發(fā)展那么快，在科研方向應(yīng)該做出中國的貢獻。

“天琴計劃”，仍大有可為。