導(dǎo)語：美國《科學(xué)》雜志近日公布了其評選的2016年十大科學(xué)突破，有“時(shí)空漣漪”之稱的引力波被發(fā)現(xiàn)當(dāng)選2016年頭號突破。
2016年是多災(zāi)多難的一年。然而，2016年的科學(xué)研究卻是人們樂觀情緒的一個(gè)來源。
為了解決一個(gè)科學(xué)問題，你必須相信它是可以被解決的，這使得科學(xué)發(fā)現(xiàn)擁有了內(nèi)在的樂觀精神。
這些發(fā)現(xiàn)能夠幫助我們更好地了解自己的世界——它傷痕累累、布滿瑕疵，卻又美得驚人——而并不常見的重大科學(xué)突破也為我們打開了新的認(rèn)知大門。
2016年，我們迎來了一個(gè)這樣的突破。
“引力波的發(fā)現(xiàn)改變了科學(xué)的景觀?！薄犊茖W(xué)》雜志在其評選的2016年十大科學(xué)突破中，將有“時(shí)空漣漪”之稱的引力波被發(fā)現(xiàn)評選為“本年度頭號突破”。
在2016年的2月和6月，物理學(xué)家兩度宣布，他們偵聽到時(shí)空漣漪發(fā)出的微弱“聲音”，那些漣漪是由兩個(gè)黑洞碰撞合并造成的。
這些觀測結(jié)果證實(shí)了“引力波”的存在，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）曾在100多年前預(yù)言過它們，但在2016年以前，物理學(xué)家從未真正探測到引力波。
偵聽到引力波的儀器名為LIGO，即激光干涉引力波天文臺，它由位于路易斯安那州和華盛頓州的兩個(gè)大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組成。
這一發(fā)現(xiàn)意義重大，不僅僅是因?yàn)樗卮鹆艘粋€(gè)有100年歷史的問題，更因?yàn)樗_辟了科學(xué)的一個(gè)全新分支。
目前，我們的天文望遠(yuǎn)鏡只能觀測到釋放電磁輻射（可見光、X射線以及γ射線等等）的天體。但是，有些天體（比如相互碰撞的黑洞或者是宇宙大爆炸的確鑿證據(jù)）卻不會(huì)發(fā)出任何電磁輻射。相反，它們釋放的是引力。
這就可以解釋，為什么有了引力波天文學(xué)之后，我們將可能很快觀測到宇宙中曾經(jīng)不可見的天體。
LIGO已經(jīng)獲得了非常多的榮譽(yù)：英國《自然》雜志將該科研項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)者之一加布里埃拉·岡薩雷斯（Gabriela Gonzales）評為2016年度十大“重要人物”；《物理世界》雜志（Physics World）將LIGO評為“年度突破”；《外交政策》雜志（Foreign Policy）則把LIGO科學(xué)家列入年度“全球頂尖思想家”的名單。（LIGO科學(xué)家沒有拿到2016年的諾貝爾獎(jiǎng)，但未來很有可能問鼎。）
LIGO和引力波向世人展示，在一個(gè)支離破碎的世界里，科學(xué)進(jìn)步仍然擁有強(qiáng)大的勢頭。 《科學(xué)》雜志這樣總結(jié)發(fā)現(xiàn)引力波的重要性：“一門新的科學(xué)在向我們招手?！?/strong>
為什么引力波很重要？
就像聲波擾動(dòng)空氣來發(fā)出聲音，引力波會(huì)擾動(dòng)時(shí)空結(jié)構(gòu)對物質(zhì)造成拉伸和擠壓作用，類似于照哈哈鏡。
如果引力波穿過了你，你的一只手臂會(huì)變得比另一只更長；如果你在兩個(gè)手腕上戴上時(shí)間一致的手表，那么引力波穿過這兩只手表的時(shí)間也不會(huì)同步。
兩顆中子星相互繞轉(zhuǎn)所產(chǎn)生引力波的二維示意圖。
任何有質(zhì)量的物體加速運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生引力波。“舉例來說，如果我非常用力地?fù)]動(dòng)手臂，我就能產(chǎn)生出引力波?！蓖箍敌谴髮W(xué)密爾沃基分校的物理學(xué)家莎拉·考迪爾（Sarah Caudill）說道。
不過，我們沒有辦法檢測到那么微弱的引力波。就目前來說，我們的傳感器需要非常非?！绊懥痢钡男盘栐?，比如兩個(gè)黑洞的碰撞。
“此刻我就沐浴在引力波當(dāng)中，你也沐浴在引力波當(dāng)中，”LIGO實(shí)驗(yàn)室的執(zhí)行主任大衛(wèi)·萊茲（Dave Reitze）說，“我們的干涉儀（即探測器）檢測不到它，其原因在于，那些波的振幅——即它們所制造信號的強(qiáng)度——遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于我們探測器所能檢測的范圍?！?/span>
兩個(gè)黑洞碰撞會(huì)釋放出“響亮”*的引力驚雷，但等到引力波在14億年后抵達(dá)地球時(shí)，它們已經(jīng)變得非常微弱（就像一塊石頭丟進(jìn)池塘里，引起的漣漪會(huì)隨著擴(kuò)散距離越來越大而逐漸變得微弱）。
LIGO（在去年圣誕節(jié)期間）偵聽到了一陣引力波，它的振幅約為0.7阿米。1阿米合10^-18米，比原子還要小。
下面的GIF動(dòng)畫一開始展示了一個(gè)原子的寬度，然后逐漸放大至10^-18阿米。人類能夠探測到如此微小的物理現(xiàn)象，這實(shí)在令人驚奇。
LIGO由美國國家科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation）提供資金支持，該科研項(xiàng)目在路易斯安那州和華盛頓州開展了兩個(gè)大型實(shí)驗(yàn)。兩處實(shí)驗(yàn)的儀器都是巨型的L型真空管，每條管臂都長達(dá)2.5英里。
在實(shí)驗(yàn)過程中，科學(xué)家會(huì)把一束激光均分射入兩條真空管。管道的末端是一面鏡子，它會(huì)把激光反射到起點(diǎn)。LIGO實(shí)驗(yàn)的目的是找到證據(jù)，證明引力波會(huì)對時(shí)空造成足夠大的干擾，致使一條管臂暫時(shí)變得比另一條更長。
這一切讓科學(xué)家付出了數(shù)十年的努力：LIGO要驗(yàn)證的理論是在上世紀(jì)20年代初被提出來的；LIGO項(xiàng)目在上世紀(jì)80年代開始建設(shè)，并于2002年首次開機(jī)；LIGO在2016年成功偵聽引力波并獲得確認(rèn)則是科學(xué)家跨國合作的成果。
LIGO現(xiàn)在迎來了一個(gè)重要的時(shí)刻，但它也映襯出重大的突破需要極深的根基，而科學(xué)研究歸根結(jié)底是一種跨越世代的協(xié)作性努力。
引力波天文學(xué)還能讓我們了解哪些很酷的事情？
目前，科學(xué)家無法讓LIGO對著天空的一片區(qū)域來尋找引力波。相反，它只是偵聽那些在特定時(shí)刻穿過地球的引力波。而且，現(xiàn)在的LIGO還不能很好地定位那些引力波的信號源。
上圖是科學(xué)家于2015年12月26日偵聽到的引力波事件所在的大致位置，它在天空中是一片相當(dāng)廣闊的區(qū)域。LIGO科學(xué)家在一份新聞稿中解釋說：“彩線區(qū)域代表了信號源所在位置的不同概率：引力波信號源位于最外層紫線區(qū)域的概率是90%；而落在最內(nèi)層黃色區(qū)域的概率只有10%。
幸運(yùn)的是，在未來數(shù)十年，全世界將啟用多達(dá)5臺引力波探測器（還有一些會(huì)被放置在太空當(dāng)中）。下一個(gè)亮相的探測器是意大利的VIRGO，它定于在2017年開始工作。有了3臺探測器之后，科學(xué)家將能更好地在天空中找到引力波的信號源。
以下是未來引力波天文學(xué)能夠?qū)崿F(xiàn)的一些很酷事情。
1）更進(jìn)一步回望早期宇宙
我們目前使用的天文望遠(yuǎn)鏡存在一個(gè)問題：它們無法觀測到非常早期的宇宙。
“如果我們憑借可見光去觀測宇宙，那么到了極限，宇宙就不再是透明的了；它會(huì)變得不透明?！丙溈笋R斯特大學(xué)的粒子物理學(xué)家里夫·伯吉斯（Cliff Burgess）說道，“對引力來說，幾乎沒有什么東西是不透明的。”
有了LIGO，我們有可能偵聽到來自早期宇宙乃至大爆炸所產(chǎn)生的引力波，并更好地理解宇宙是如何形成的。
2）對愛因斯坦的廣義相對論加以改進(jìn)
一個(gè)世紀(jì)前，愛因斯坦發(fā)表了他的廣義相對論。自那以后，這套理論就主導(dǎo)了我們對引力的理解。然而，包括愛因斯坦本人在內(nèi)的物理學(xué)家早就猜測，廣義相對論是不完整的，因?yàn)樗孔恿W(xué)的定律格格不入。
引力波可以幫助物理學(xué)家對廣義相對論進(jìn)行更加嚴(yán)格的測試，從而發(fā)現(xiàn)它在哪些地方是不成立的。
“我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，黑洞完全符合愛因斯坦在100年前提出的理論。”考迪爾說，“所以，那很酷。不過，隨著我們進(jìn)行越來越多的探測，我們可以更深入地探查他的理論，或許還能在其中找到漏洞?！?/span>
3）發(fā)現(xiàn)新的中子星
中子星是恒星坍縮形成的致密核心，它能釋放出巨大的引力。而且，一件很酷的事情是，中子星也能產(chǎn)生光。考迪爾表示，如果你能（通過LIGO）偵聽到諸如中子星碰撞或黑洞和中子星碰撞的天文事件，那么你接著就可以用傳統(tǒng)的天文望遠(yuǎn)鏡指向它們，觀看宇宙燈光秀。
4）了解黑洞相互繞轉(zhuǎn)有多常見
在去年2月的公告之前，科學(xué)家沒有觀測到表明兩個(gè)黑洞可以相互繞轉(zhuǎn)的證據(jù)。現(xiàn)在，我們已經(jīng)看到它們可以這樣做。引力波天文學(xué)將幫助我們了解宇宙中存在多少相互繞轉(zhuǎn)的黑洞。
5）尋找暗物質(zhì)的來源
從理論上說，暗物質(zhì)在宇宙所有物質(zhì)中的占比達(dá)到了27%。但是，我們從未看到過暗物質(zhì)（因?yàn)樗鼈兪前档模。椅覀円膊恢浪鼈儚暮味鴣怼?/span>
物質(zhì)能夠產(chǎn)生引力，也許引力波可以幫助我們追蹤暗物質(zhì)的來源。暗物質(zhì)可能是以許多微小黑洞的形式存在的，它們可能是宇宙誕生之初所出現(xiàn)的“原始”黑洞的殘跡。我們目前還不清楚。
6）尋找新的奇異天體
宇宙是一個(gè)廣闊的暗黑空間。
“我們可能出乎意料地發(fā)現(xiàn)（引力）來源，”哈佛大學(xué)理論物理學(xué)家阿維·勒布（Avi Loeb）說，“那將是最令人興奮的?！?/span>
也許我們會(huì)找到“宇宙弦”的證據(jù)，這是理論假設(shè)中時(shí)空的奇異皺褶，其中蘊(yùn)含了巨大的能量。只有LIGO的性能得到提升以及更多的同類儀器開始上線運(yùn)行，我們才更有可能找到新的奇異天體。
那將類似于“從簡單的伽利略望遠(yuǎn)鏡發(fā)展到我們在山頂安裝的天文望遠(yuǎn)鏡，”萊茨說，“在接下來的50年里，這將是一個(gè)非常令人興奮的領(lǐng)域。”
翻譯：何無魚
來源：Vox
