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探測引力波背后的“中國力量”

2015年9月14日,利用“激光干涉引力波天文臺”探測到來自于兩個黑洞合并的引力波信號。

引力波攜帶著與電磁波截然不同的信息，如果能探測到宇宙大爆炸時發(fā)出的原初引力波，那將為我們揭示宇宙誕生之初的奧妙。

北京時間2016年2月11日23: 40左右，激光干涉引力波天文臺（LIGO）負責人宣布，人類首次發(fā)現(xiàn)了引力波。在被預言將近百年、苦苦追尋幾十年之后，首個位于地球之外13億光年的引力波源GW150914被人類直接探測到，這標志著一個新時代的序幕正在拉開。

引力波究竟是什么

對于“波”，我們并不陌生，生活中時常會聽到無線電波、電磁波、聲波、光波等等，引力波也是波的一種。

既然稱之為引力波，它必然與引力有關。所以，在更深一步了解引力波之前，我們需要了解一下人類對于引力的認識過程。17世紀末的物理學家牛頓看到了下落的蘋果，意識物體之間普遍存在的一種力，稱之為“引力”，并且將其數(shù)學化，這就是我們熟知的萬有引力。萬有引力認識的精髓是物體質量的存在導致了引力，這在牛頓之后的兩百多年里被認為是宇宙間的絕對真理。直到1905年狹義相對論發(fā)表，再到1915年廣義相對論的發(fā)表，愛因斯坦提出了一種完全不同的對于引力的看法，引力是因為質量對于時空造成了變形所導致，而非質量之間的吸引。在愛因斯坦的描述中，有質量的物體會使它周圍的時空發(fā)生扭曲，物體的質量越大，時空就扭曲得越厲害。

這就意味著，我們時空可被當做一種可以變形的介質來認識。所以引力波，簡單來說，就是時空自身的波動。相比較我們熟知的無線電波（或者電磁波），它僅僅是在時空之中傳播的，時空是它的媒介。

人們常說“星辰大?！保绻麑r空視作海洋，那么天體就如同海洋生物一般?？梢韵胂?，如果大海中的某個生物搖了搖尾巴、或是晃了晃頭，海水由此所產生的波動就會向外傳播。與此類似，宇宙中某個天體的劇烈活動，會對所在的時空產生擾動，時空自身的波動也會向遠處傳播，如果足夠強，就能夠為地球上的我們所感知。

中國有何作為

此次LIGO探測器探測到了來自于宇宙深處距離地球13億光年之外的一場引力風暴，來自于一個雙黑洞系統(tǒng)的合并。這也是人們首次直接發(fā)現(xiàn)雙黑洞，據(jù)悉，這兩個黑洞的質量分別為26和39太陽質量，屬于恒星級黑洞。

美國麻省理工學院物理系研究員蘇萌介紹，一旦宇宙中某個地方產生了引力波信號，就好比大功率擴音喇叭在宇宙的某個角落喊一嗓子，這種時空的“震蕩”會以引力波的形式在宇宙間幾乎毫無阻力的傳播。如果離地球足夠近，就可以用“引力波天線”接受這些訊號。就像地球上時不時發(fā)生地震一樣，只要我們有一個好的“地震儀”就能探測到這些微乎其微的震蕩。

科學家們針對不同頻率的引力波信號源，建造了不同的引力波接收器，LIGO科學合作組便是其中之一?！按舜蜭IGO實驗在它的工作頻段證實引力波的存在，也就是說，引力波在其他廣泛的頻段都應該存在，如果在對應這些引力波頻段的探測上建造領先的實驗裝置，就會在未來的引力波科學大發(fā)現(xiàn)上占據(jù)先機?！碧K萌說。

實際上，早在上世紀70年代，中國科學家就開始了引力波研究，但由于種種原因停滯了十幾年，造成了人才斷層。直到2008年，在中科院力學所國家微重力實驗室胡文瑞院士的推動下，中國的引力波研究才再度開啟。令人欣喜的是，盡管有著一段空白歷史，但在這次至關重要的“捕獲”中，中國科學家并未缺位。憑借高精度的數(shù)據(jù)分析能力，中國科學家“凈化”了引力波探測中的干擾信號，與全世界頂尖科學家“協(xié)同作戰(zhàn)”，共同開啟了全新的天文時代。

清華大學信息技術研究院研究員、LSC理事會成員曹軍威正是這支“凈化之軍”的負責人。2004- 2006年，在美國麻省理工學院空間研究中心工作的曹軍威，便參與了引力波數(shù)據(jù)計算和分析的工作。在這期間，他時刻關注著LIGO（激光干涉引力波天文臺）的工作動態(tài)。“國內研究團隊不應該在這樣的頂級研究領域落后?！?006年回國后，曹軍威組織創(chuàng)建了清華LIGO工作組，由來自信研院、自動化系、計算機系和工程物理系的教師和學生組成。他們采用先進計算技術提高引力波數(shù)據(jù)分析的速度和效率，也逐漸得到了國際同行的認可。2009年，清華被LIGO科學合作組織（LSC）接受為正式成員，也是目前中國大陸唯一的LSC成員。

郭翔宇是清華計算機系高性能計算所的碩士研究生，也是清華LIGO工作組中一名普通科研人員。他每天的科研任務，就是“讓引力波數(shù)據(jù)分析處理的過程更有效率”：“每周我們都要與西澳大利亞大學的項目組成員跨洋討論，一年多來，我在先前的基礎上，將探測器GPU的信息處理速度從原有的58倍提升到了120倍以上。”

在曹軍威看來，探測器的精度提升和數(shù)據(jù)分析處理相輔相成，最終成就了引力波探測的成功，這是全世界千余名研究人員共同努力的結果。

擁有新的宇宙感知力

科學家們花費這么大的精力去尋找引力波有什么用？會不會像科幻電影里那樣為我們打開“蟲洞”、開啟時間旅行帶來可能性？

蘇萌說，科學上講，引力波的發(fā)現(xiàn)為我們打開了研究宇宙的全新窗口，射電、光學、伽馬射線等電磁波譜研究宇宙都是來自于光子攜帶的信息，引力波攜帶著與電磁波截然不同的信息，將為我們揭示宇宙新的奧秘，比如黑洞與黑洞并合時的物理過程。如果能探測到宇宙大爆炸時發(fā)出的原初引力波，那將為我們揭示宇宙誕生之初的奧妙。

那它對普通人的生活會產生什么影響？科學家們表示，一個新的科學發(fā)現(xiàn)，總會給人類社會帶來無法預估的發(fā)展。百年前電磁波剛被發(fā)現(xiàn)的時候，也沒有人知道會給人類帶來什么，但是現(xiàn)在不管是電視機還是移動電話，都與電磁現(xiàn)象有關。

LIGO的發(fā)現(xiàn)讓我國科學家對中國引力波研究充滿期待?！澳壳霸趪H引力波探測領域，中國的影響幾乎為零，希望借此機會更大推動國內引力波研究的發(fā)展。”專家說。

專家認為，中國作為一個大國，這個領域不能是空白?！拔覀儽仨氉ゾo，創(chuàng)新而不是跟蹤，作出我們應有的貢獻。原初引力波仍未測出，國際合作空間依然很大?！?/p>

“LIGO的發(fā)現(xiàn)證明了引力波的存在，我們可以滿懷信心地去尋找不同波段的引力波，就像不同波段的電磁波譜一樣。如果能夠探測到原初引力波將是下一個引力波領域、宇宙學、高能物理的重大突破?！碧K萌說。

（新華網(wǎng)2016.2.12等）