引力波时代来临，爱因斯坦又赢了一次

谢顿

就在前不久，科学家发现引力波的新闻刷屏了，这种超越人类经验的存在，却被人类认知，难怪引得众人围观。英国天文物理学家史蒂芬·霍金认为这是科学史上重要的一刻，引力波提供观测宇宙的崭新方式，有可能使天文学发生革命性的变化，

在爱因斯坦广义相对论的预言中，引力波可产生于大质量天体事件（如黑洞合并、脉冲星自转以及超新星爆发等）中，以光速传播，如同石头丢进水里产生的波纹一样，数十年内辩学家一直在寻找引力波，但都没有发现，直到北京时间2016年2月11日，美国国家科学基金会（NSF）、加州理工学院、麻省理工学院以及LIGO科学合作组织的科学家在华盛顿特区国家媒体中心宣布人类首次直接探测到了引力波，这个发现也应了爱因斯坦100年前的预言，事实证明，他又赢了一次！

来自13亿光年外缘于宇宙黑洞

发现引力波的是LIGO激光干涉引力波天文台，两个LIGO探测器中都观测到黑洞合并产生的引力波，并且绘制出随时间和频率变化的引力波强度曲线。GW150914引力波事件在0.2秒内于35Hz到250Hz频率之间出现，两个探测器在前后7毫秒的时间内相继探测到。7毫秒这个时间差符合光速在两个探测器之间传播的时间。

有关数据显示，本次观测到的GW150914引力波事件来自13亿光年之外黑洞合并，一个黑洞质量相当于太阳质量的29倍，另一个黑洞质量相当于太阳质量的36倍，如果确切地说，均属于恒星级黑洞。科学家发现两个黑洞的合并发生在13亿年前，其产生的引力波能量相当于损失了3个太阳质量转换，由此产生的引力波在今天终于抵达地球，而且被位于路易斯安那州利文斯顿和华盛顿州汉福德之间的L型引力波探测装置捕捉到。

麻省理工学院物理学教授雷纳·维斯发现，13亿光年外的两个黑洞合并时碰撞的速度相当于光速一半，损失的3个太阳质量全部以引力波的形式释放。由此看出，引力波可携带大量宇宙信息，如果我们能够深入了解引力波，就可以发现更多的宇宙奥秘。

为一窥宇宙初生LIGO立了大功

本次发现引力波的是美国激光干涉引力波天文台（英文简称LIGO），建于1999年，当时的造价为4亿美元。其探测引力波的原理也非常简单，利用L型、4千米长的测量臂中嵌入反射镜面，激光则在反射镜中来回反射，如果发现引力波，那么建立在迈克耳逊干涉仪原理之上的干涉条纹就会发生变化。

事实上，探测引力波的关键在于我们能够造出测量精度极高的装置，最早设计引力波探测装置的科学家是韦伯。他在1950年代设计了振棒探测器，其结构甚为粗糙，利用质量接近一吨的圆柱形铝棒来寻找引力波。显然这样的设计无法探测到引力波，但还是开创了寻找引力波的先河。如今除了激光干涉引力波天文台，还有诸如LISA探路者航天器这样的引力波探测器，在轨道上探测引力波。隶属于美国国家航空航天局、欧洲空间局的LISA定点在拉格朗日点L1上，由3个探测器构成一个边长为500万千米的等边三角形，每个航天器之间的夹角为60°。激光在3个探测器中进行反射，全程耗时要16秒，航天器上的核心装置为一个2千克的金铂合金立方体，垂直放置，一旦引力波穿过干涉装置，我们就会发现激光相位的变化，由此发现引力波。

目前探测引力波的装置基本原理相互接近，而LIGO激光干涉引力波天文台率先发现引力波，与该天文台坚持不懈升级和研究小组持续观测是分不开的。

100年后，我们撬开了引力波世界的一角

1915年，爱因斯坦创造性地提出：“引力的本质是时空几何在物质影响下的弯曲。”如今在发现了引力波之后，再来看这句话，让人不禁赞叹爱因斯坦的伟大。当初，爱因斯坦提出“引力的作用以波动的形式传播”理论，100年后我们终于抓到了这个“低调的”波，或许我们只是撬开了引力波世界的一个小角，但却可能因此获得前所未有的收获。

我们甚至可以看到宇宙大爆炸时期初期宇宙的遗迹、看到其一些最大的能量事件，由此来研究宇宙中的黑洞行为。美国国家科学基金会负责人柯多瓦指出，发现引力波的意义如同伽利略首度把他的望眼镜指向天空，这项对天空的新观测，将会加深我们对宇宙的理解，引发超乎预料的发现。

引力波的发现也让基普·索恩着迷，这位理论物理学家曾经指导过《星际穿越》中的黑洞特效，以最贴近实际的角度向公众展示黑洞的可能外观。基普·索恩认为通过这项发现人类开启了一场波澜壮阔的新旅程，黑洞的碰撞和引力波的观测正是这个旅程中第一个完美的范例。泰勒和赫尔斯两位科学家发现脉冲星双星系统PSR1913+16的间接引力波事件，只不过这是间接发现引力波，他们由此获得了1993年的诺贝尔奖，由此推测，本次引力波的发现或许已经把诺贝尔奖的得主确定了下来。

聆听宇宙之声

中国“天琴计划”令人期待

除了西方国家已经建成的引力波探测装置之外，中国也有相关的引力波探测计划。中国本土引力波探测工程来自中山大学的“天琴计划”，2月21日中山大学推进实施“天琴计划”研讨会并发布其实施路线图“0123计划”，该计划将用15年至20年的时间发射卫星上天。由此看出，中国的“天琴计划”是天基引力波探测装置，由3颗全同卫星组成一个等边三角形阵列，卫星之间以激光精确测量由引力波造成的距离变化，主要针对白矮星双星系统RXJ0806.3+1527所产生的引力波。

“天琴计划”与LISA探路者航天器的测量方式有些类似，都是用3个航天器组成观测阵列，形成等边三角形。中国科学院院士罗俊表示与美国的激光干涉引力波天文台相比，“天琴计划”引力波探测会有光学辅助手段，此外与LIGO探测到的短时间的爆发型引力波不同，“天琴”探测的低频段的连续型引力波，可以持续验证。

（责任编辑：司明婧 责任校对：曹伟）