百年引力波的魅力

　　10月16日，南京紫金山天文台对外发布一项重大发现，我国南极巡天望远镜追踪探测到首例引力波事件光学信号。另外，我国第一颗空间X射线天文卫星——“慧眼”望远镜在此次引力波事件发生时，成功检测了引力波源所在的天区。

　　从1916年爱因斯坦在《德国物理学》杂志上发表《广义相对论基础》一文，到2016年2月11日美国国家科学基金会携加州理工学院、麻省理工学院和LIGO科学合作组织的科学家宣布首次直接探测到了引力波，人类对引力波的探索已经有百年历程。那么，引力波到底是什么，为什么一代代科学家都对此执著研究？

　　如同船在水中引起的涟漪

　　2015年，美国科幻、奇幻和恐怖电影学院将土星奖最佳影片颁给了电影《星际穿越》，这部电影关于时间空间的阐述手法令人称奇，而影片的科学顾问就是今年诺贝尔物理学奖得主之一基普·索恩，他的获奖原因是构思和设计激光干涉仪引力波天文台LIGO，对直接探测引力波作出杰出贡献。

　　在2009年以前，基普·索恩一直担任加州理工学院费曼理论物理学教授，奠定了引力波探测的理论基础，开创了引力波波形计算以及数据分析的研究方向。辞去费曼教授职务后，他开始钟情于电影，第一部就是与诺兰合作的《星际穿越》。

　　事实上，引力波也是在解释空间和时间的关系，爱因斯坦在《广义相对论基础》一文中认为，空间、时间是一个整体，引力不是通常意义下的力，而是时空弯曲的一种表现，本质是一种几何现象。这种时空弯曲的曲率与处于时空中的物质直接相联系，物质的存在会使周围的时空发生弯曲，并且会以光速向四周传播，这种波动即为引力波。

　　简单来说，广义相对论认为，大到天体，小到人类本身，在运动时都会使周围的时空产生涟漪，就如同船在水中移动时会产生水波一样，船是物质，水好比是时空，水产生的波动就是引力波。只不过，这样的波动非常不易察觉，这使得爱因斯坦的引力波理论在很长一段时期都没有得到实验验证。

　　从一个公式发展到一个网络

　　引力波探测的困难，与宇宙的浩瀚不无关系。探测引力波的方式，是利用引力波的潮汐效应，探测引力波作用下两个物体之间的距离变化，而这种变化，是非常微小的。

　　一般来说，如果宇宙中发生了超新星爆发、黑洞形成的“大事件”，相应天体会产生巨大的引力波，不过，这样的现象具有非常大的偶然性，很难遇到并恰好捕捉到。于是，科学家们开始关注另一种天体，一种可以发出连续引力波的天体——双星。双星是两颗绕着共同的重心旋转的恒星，人们肉眼可见的天狼星就是双星，其伴星为白矮星。

　　相对而言，双星系统运动状态稳定，引力波辐射可以导致绕转频率加快，轨道周期变小，如果能测出双星变化周期律与广义相对论中的公式相符，就能间接证实引力波的存在。美国马萨诸塞大学的赫尔斯和泰勒于1974年用射电望远镜发现了第一颗脉冲双星PSR1913+16，并于4年后测定周期变化率，与广义相对论公式给出的理论值不超过1%。两人最终因此成功获得诺贝尔物理学奖。

　　就在赫尔斯和泰勒探测脉冲双星的同时期，麻省理工学院的雷纳·韦斯和马布里休斯实验室的罗伯特·佛瓦德分别建造了激光干涉引力波探测器，探测器有两个相互垂直、长度相等的干涉双臂，当有引力波通过时，一臂拉升一臂压缩，光电接收器的光强就会发生变化

　　因为对引力波探测作出的贡献，雷纳·韦斯也获得了今年的诺贝尔物理学奖。而在上世纪90年代，包括美、法、意、德、英、日、澳等多个国家在内，都独立或合作建造了激光干涉引力波探测器，并且组成一个国际观测网络，只要一个观测器收到信号，就能数据共享。

　　中国人不会缺席

　　即便建立了观测网络，想要观测到引力波信号也绝非易事。例如去年探测到的引力波信号GW150914，是13亿光年之外两颗黑洞合并最后阶段产生的，相当于29颗太阳与36颗太阳，最后合并成一颗62倍太阳质量高速旋转的黑洞，在信号释放到宇宙空间13亿年后抵达地球。那么，如此巨大星球合并产生的引力波引起了实验仪器怎样的反应呢？实验设备4公里的臂长，改变了相当于质子直径万分之一的长度，相当于太阳与最近恒星之间的距离，改变了一个头发丝的宽度。

　　那么，观测到这“万分之一质子直径”的变化，需要多精准的仪器呢？为了排除地震、声波等干扰，引力波信号需要距离很远的两个地方同时检测到才算数。探测到GW150914信号的两个探测站，分别位于美国的华盛顿州和路易斯安纳州，相距3000公里。

　　各国之所以投入巨资用于引力波探测，是因为引力波对于天文学和物理学研究有重要作用。人们最初了解宇宙的方式，是仰望星空，但是，光并不能穿透一切物质，而引力波则可以几乎不受阻挡地穿过一切天体，遥远恒星的光会被其它介质阻挡，但其产生的引力波不会。这就使得人类了解天体信息的渠道增加了，进一步研究之下，也将对天体物理学和相对论宇宙学产生深远影响。有的科学家甚至认为，引力波的发现如同电磁波一样，在未来产生科技革命也不是没有可能。

　　在引力波的探测上，中国人也没有缺席。最近一次引力波事件发生时，全球仅有4台X射线和伽马射线望远镜成功监测到爆发天区，而中国的“慧眼”就是其中一台，而且在四台望远镜里面有效面积和时间分辨率最高。

　　目前，我国已经启动了由中山大学领衔的“天琴计划”和中科院高能物理研究所主导的“阿里实验计划”，前者是去太空捕捉引力波，将分四个阶段约20年实施；后者是在地面探测原初引力波，利用高海拔优势开展北半球首个搜寻原初引力波的望远镜计划。