◇新聞117記者 周白石
2月11日，美國(guó)科學(xué)家宣布，2015年9月他們利用激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）首次探測(cè)到引力波，7毫秒后，另一處美國(guó)天文臺(tái)的探測(cè)器也探測(cè)到引力波，證實(shí)此次探測(cè)絕非“誤報(bào)”。這一發(fā)現(xiàn)，不僅印證了愛(ài)因斯坦100年前預(yù)言的準(zhǔn)確性，為人類觀測(cè)宇宙提供了新的方法，還為能夠揭開(kāi)宇宙起源之謎。
現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為，引力波是一種與電磁波不同的輻射，無(wú)法通過(guò)電磁輻射直接觀測(cè)。引力波與宇宙中物質(zhì)的相互作用是非常微弱的，所以可以傳播至很遠(yuǎn)的宇宙空間。換句話說(shuō)，此次美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的引力波，是很遠(yuǎn)的地方形成的。
為發(fā)現(xiàn)如此“弱”的引力波，美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)于上世紀(jì)90年代在路易斯安娜州利文斯頓和華盛頓州漢福德各建造了一個(gè)激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)。兩個(gè)引力波探測(cè)器呈現(xiàn)L形排列，L形測(cè)量臂長(zhǎng)達(dá)4公里，兩個(gè)測(cè)量器垂直排列，兩端各有反射鏡面。
美國(guó)科學(xué)家稱，美國(guó)東部時(shí)間2015年9月14日5時(shí)51分，位于利文斯頓的探測(cè)器首先傳出“撞擊聲”，7毫秒后，漢福德的探測(cè)器也傳出“撞擊聲”。由于兩個(gè)天文臺(tái)使用完全相同的設(shè)備，且間隔數(shù)千公里，所以此次兩處天文臺(tái)幾乎在同一時(shí)間探測(cè)到引力波，可以排除偶然因素導(dǎo)致的誤判。
（位于美國(guó)路易斯安那州利文斯頓附近，臂長(zhǎng)4千米的激光干涉儀引力波探測(cè)器）
原國(guó)家天文臺(tái)是副研究員、現(xiàn)意大利羅馬天文臺(tái)博士后爾欣中介紹，這一實(shí)驗(yàn)相當(dāng)于在一個(gè)4公里長(zhǎng)的尺度上，測(cè)量一個(gè)10的負(fù)18次方米的變化。用“微乎其微”這一詞來(lái)形容試驗(yàn)的精度，似乎顯得“不夠”?！癓IGO在未來(lái)的幾年里應(yīng)該還能夠發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象。換句話就是這個(gè)實(shí)驗(yàn)應(yīng)該是可以重復(fù)的。這個(gè)項(xiàng)目早期意大利科學(xué)家也在進(jìn)行，后來(lái)由于經(jīng)費(fèi)緊缺等問(wèn)題與美國(guó)合作一起進(jìn)行，即此次報(bào)道中LIGO和VIRGO兩個(gè)合作組?！?/p>
據(jù)報(bào)道，此次探測(cè)到的引力波是由兩個(gè)黑洞合并引發(fā)的。兩個(gè)黑洞都相當(dāng)于大質(zhì)量的恒星，它們不斷旋轉(zhuǎn)、靠近，最終以極快的速度相撞后合并成一個(gè)黑洞。兩個(gè)黑洞一個(gè)達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)量（即人們常說(shuō)的重量）的29倍，一個(gè)為太陽(yáng)質(zhì)量的36倍。據(jù)推測(cè)，兩個(gè)黑洞合并發(fā)生在13億年前，二者在合并的過(guò)程中釋放出約3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的能量，相當(dāng)于不計(jì)其數(shù)的原子彈在不到1秒的時(shí)間內(nèi)同時(shí)爆炸，其產(chǎn)生的引力波在13億年后傳到了地球并被發(fā)現(xiàn)。
三問(wèn)引力波
1.什么是引力波？
這個(gè)是專業(yè)的解釋：廣義相對(duì)論所預(yù)言的一種以光速傳播的時(shí)空波動(dòng)。引力波被比喻為宇宙中的“時(shí)空漣漪”,如同石頭丟進(jìn)水里產(chǎn)生的波紋一樣。假如時(shí)空是一張巨大的橡膠膜，小球是天體，把小球放在橡膠膜上時(shí)，球重會(huì)把橡膠膜往下壓。這時(shí)，若在附近再放一顆球，它們分別造成的“時(shí)空彎曲”就會(huì)讓它們逐漸滾向?qū)Ψ?。它們互相加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的“漣漪”就是引力波。宇宙中大質(zhì)量天體的加速、碰撞、合并等都會(huì)形成強(qiáng)大的引力波。
這個(gè)是爾欣中直白的解釋：兩個(gè)大質(zhì)量的天體碰撞時(shí)，產(chǎn)生的時(shí)空擾動(dòng)向外傳播出去。
2.發(fā)現(xiàn)引力波為什么令人興奮？
原因一：100年前，愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)上提出了引力波的存在，并預(yù)言強(qiáng)引力場(chǎng)事件可產(chǎn)生引力波，比如黑洞合并、脈沖星自轉(zhuǎn)以及超新星爆發(fā)等。不過(guò)，基于當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)水平，他認(rèn)為引力波太過(guò)微弱而無(wú)法探測(cè)，且他從未相信過(guò)黑洞的存在。此次發(fā)現(xiàn)引力波，被業(yè)內(nèi)稱為找到了“愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中最后一塊‘拼圖’”。
原因二：爾欣中說(shuō)，學(xué)生時(shí)代老師對(duì)他們講過(guò)，觀測(cè)宇宙有4種方法，即電磁波，中微子，隕石和引力波，前三種在此之前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，如今，引力波也找到了。
換句話說(shuō)，以后科學(xué)家觀測(cè)宇宙有了另外一種方式。自20世紀(jì)90年代起，在世界各地，一些大型激光干涉儀引力波探測(cè)器開(kāi)始籌建，引力波探測(cè)黃金時(shí)代就此拉開(kāi)了序幕。其中包括位于美國(guó)路易斯安那州利文斯頓臂長(zhǎng)為4千米的LIGO；位于美國(guó)華盛頓州漢福德臂長(zhǎng)為的4千米的LIGO；位于意大利比薩附近，臂長(zhǎng)為3千米的VIRGO；德國(guó)漢諾威臂長(zhǎng)為600米的GEO，日本東京國(guó)家天文臺(tái)臂長(zhǎng)為300米的TAMA300。這些探測(cè)器在2002年至2011年期間共同進(jìn)行觀測(cè)。
在這一領(lǐng)域的研究，我國(guó)也推出了“天琴計(jì)劃”。據(jù)報(bào)道，其主要將分四階段實(shí)施，第一階段完成月球/衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)、大型激光陀螺儀等天琴計(jì)劃地面輔助設(shè)施；第二階段完成無(wú)拖曳控制、星載激光干涉儀等關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，以及空間等效原理實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)；第三階段完成高精度慣性傳感、星間激光測(cè)距等關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，以及全球重力場(chǎng)測(cè)量；第四階段完成所有空間引力波探測(cè)所需的關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)射三顆地球高軌衛(wèi)星進(jìn)行引力波探測(cè)。
3.發(fā)現(xiàn)引力波有什么意義？
爾欣中說(shuō)，發(fā)現(xiàn)引力波的意義還不止于此，找到引力波也將有望揭開(kāi)宇宙起源之謎?，F(xiàn)在最廣泛接受的宇宙起源模型是所謂的“暴漲”模型。這個(gè)模型中預(yù)言了兩種模式的擾動(dòng)，一個(gè)是現(xiàn)在能看到的物質(zhì)擾動(dòng)，形成了星系、恒星等；另外一種擾動(dòng)的模式就是引力波，但是這種模式引力波的波長(zhǎng)非常大，和現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的黑洞合并所產(chǎn)生的引力波需要不一樣的探測(cè)方法。“直白一點(diǎn)說(shuō)，在宇宙開(kāi)始，可以想象成充滿了‘均勻’分布的‘粒子’，然后最初的一點(diǎn)擾動(dòng)（就是有些地方的密度比其他地方稍微大一點(diǎn)），這種擾動(dòng)逐漸演化，密度大的地方吸引其他粒子，密度越來(lái)越大，逐漸形成星系、恒星等。這個(gè)就是第一種物質(zhì)的擾動(dòng)。第二種擾動(dòng)是時(shí)空的曲率（即引力波），沒(méi)有在物質(zhì)的分布上直接反應(yīng)出來(lái)，我們需要間接的方法來(lái)觀測(cè)，例如宇宙微波背景輻射?！?/p>
有趣的是，《星際穿越》和《三體》兩本書(shū)不約而同地將引力波作為未來(lái)發(fā)達(dá)世界人類通訊手段，在引力波被發(fā)現(xiàn)之前，這也許只是幻想，但將來(lái)或許不是了。爾欣中透露，《星際穿越》的作者Kip Thorne教授也是LIGO最早的項(xiàng)目科學(xué)家之一。爾欣中曾和幾個(gè)天文臺(tái)的同事將其翻譯成中文。
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