杜芝茂

2016年2月11日，一則極具爆炸性的消息傳遍世界。美國(guó)“激光干涉引力波觀測(cè)站”（LIGO）對(duì)外宣布人類(lèi)第一次直接探測(cè)到引力波的存在。從這一刻起，關(guān)于引力波的研究終于不再是紙上談兵了。引力波的發(fā)現(xiàn)，開(kāi)啟了人類(lèi)一場(chǎng)波瀾壯闊的新旅程。

終 極 驗(yàn) 證

100多年前，愛(ài)因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論，并且預(yù)言有引力波的存在。愛(ài)因斯坦認(rèn)為大質(zhì)量天體會(huì)引起周?chē)鷷r(shí)空產(chǎn)生彎曲，當(dāng)一個(gè)大質(zhì)量物體改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，會(huì)在周?chē)臅r(shí)空中產(chǎn)生“漣漪”，即引力波。

1974年，美國(guó)物理學(xué)家泰勒（Joseph Taylor）和赫爾斯（Russell Hulse）利用射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到由一顆中子星和一顆脈沖星組成的雙星系統(tǒng)PSR 1913+16。通過(guò)觀測(cè)這個(gè)雙星系統(tǒng)引力輻射阻尼所引起的軌道周期變率，間接地探測(cè)到了引力波，兩位物理學(xué)家也因此獲得1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

如今，當(dāng)人們還在以懷疑的態(tài)度爭(zhēng)論廣義相對(duì)論的時(shí)候，LIGO直接探測(cè)到引力波的存在，再一次強(qiáng)有力地驗(yàn)證了廣義相對(duì)論的預(yù)言。

如何探測(cè)引力波

引力波是由質(zhì)量四極矩隨時(shí)間變化而產(chǎn)生的，在時(shí)空中以光速傳播。引力波可以被形象地理解為時(shí)空的自身變形，時(shí)空在一個(gè)方向上被拉伸，那么在與其垂直的另外一個(gè)方向上就會(huì)被壓縮。然而，它與其他波相比非常微弱，就連預(yù)言它存在的愛(ài)因斯坦都不相信能夠探測(cè)到它的存在。那么，這么微弱的引力波是如何被探測(cè)到的？

目前探測(cè)引力波，人們主要采用激光干涉儀、脈沖星計(jì)時(shí)陣列和宇宙微波背景輻射。探測(cè)引力波同時(shí)需要兩方面的技術(shù)支撐：一方面需要設(shè)計(jì)精巧的實(shí)驗(yàn)方案，以此來(lái)增加探測(cè)器的基線長(zhǎng)度，放大引力波效應(yīng)；另一方面需要運(yùn)用頂尖的降噪技術(shù)，把震動(dòng)噪聲、熱噪聲等這些影響引力波強(qiáng)度的噪聲降到最低。要知道，無(wú)論是已經(jīng)探測(cè)到引力波的LIGO，還是國(guó)際上其他探測(cè)引力波的先進(jìn)設(shè)備，如意大利的VIRGO探測(cè)器、日本的KAGRA探測(cè)器等，都是基于這兩個(gè)方面開(kāi)展相關(guān)研究的。

引力波與人類(lèi)生活

一百多年前，湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子，緊接著倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，當(dāng)時(shí)大家覺(jué)得這兩個(gè)發(fā)現(xiàn)與日常生活沒(méi)有太大的關(guān)系。但是現(xiàn)在看來(lái)，電子和X射線對(duì)人類(lèi)生活的影響已經(jīng)遠(yuǎn)超出當(dāng)時(shí)人們的想象。如今引力波的存在已被證實(shí)，那它又將會(huì)給人類(lèi)生活的哪些方面產(chǎn)生久遠(yuǎn)的影響呢？

人類(lèi)天文學(xué)的觀測(cè)研究

引力波的發(fā)現(xiàn)，為天文觀測(cè)提供了全新的探測(cè)手段。隨著越來(lái)越多引力波探測(cè)基地的建立，天文學(xué)的研究極可能進(jìn)入引力波天文學(xué)時(shí)代。運(yùn)用引力波來(lái)觀測(cè)宇宙，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。一方面，引力波的頻率范圍是1～10-15赫茲，其波源基本覆蓋了宇宙中的各類(lèi)天體系統(tǒng)，可探測(cè)無(wú)法用電磁輻射探測(cè)或不具有電磁輻射的天體，不受白天黑夜、天氣因素的影響，可以幫助人類(lèi)更好地了解難以用傳統(tǒng)方法觀測(cè)的天體物理現(xiàn)象，如超新星爆發(fā)﹑星體碰撞﹑雙星并合﹑脈沖星轉(zhuǎn)動(dòng)、黑洞擾動(dòng)等。另一方面，在傳播過(guò)程中引力波基本不衰減，用它來(lái)觀測(cè)那些被其他物質(zhì)屏蔽的宇宙區(qū)域，來(lái)發(fā)現(xiàn)、探索新天體，實(shí)在是再合適不過(guò)了。最后，引力波是在宇宙大爆炸發(fā)生10-43秒后與物質(zhì)分離的，是隨機(jī)背景的重要組成部分，它的探測(cè)結(jié)果還能提供宇宙最早狀態(tài)的信息。

助力傳播領(lǐng)域

引力波有著極強(qiáng)的穿透力，不僅如此，它在傳播過(guò)程中，基本上不被吸收，不被散射，不被屏蔽。憑借這些優(yōu)點(diǎn)，引力波極有可能助力下一代通信技術(shù)。雖然這些仍然屬于猜想、構(gòu)思階段，但是隨著人類(lèi)探索腳步的前進(jìn)，引力波或許終有一天能夠淘汰現(xiàn)在人們依賴的光纜通信、有線電視，成為人類(lèi)日常生活中必不可缺的通信載體。

自引力波發(fā)現(xiàn)以來(lái)，為緊追時(shí)代步伐，2015年，以中山大學(xué)牽頭利用人造衛(wèi)星探測(cè)空間引力波的“天琴計(jì)劃”已經(jīng)啟動(dòng)。該計(jì)劃完全由我國(guó)自主開(kāi)發(fā)，采用三顆全同的衛(wèi)星構(gòu)成一個(gè)等邊三角形陣列，原理與歐洲航天局（ESA）的LISA類(lèi)似。通過(guò)測(cè)量一個(gè)周期為5.4分鐘的超緊湊雙白矮星系統(tǒng)（RX J0806.3+1527）的變化來(lái)探測(cè)引力波。該計(jì)劃預(yù)計(jì)于2035年建成并用于探測(cè)。

同時(shí)，我國(guó)另一個(gè)引力波探測(cè)計(jì)劃——“太極計(jì)劃”也在積極籌備中?！疤珮O計(jì)劃”將利用激光干涉方法對(duì)中低頻波段的引力波進(jìn)行探測(cè)，主要是通過(guò)觀測(cè)雙黑洞并合和大質(zhì)量天體并合來(lái)探測(cè)引力波輻射。該計(jì)劃預(yù)計(jì)20年后完成，我們期待在引力波的研究上中國(guó)能與國(guó)際并軌同行。