引力波，感受时空震颤的涟漪

来源：中国科学报 2016-3-11 张晶晶

　　100年前爱因斯坦广义相对论预言了引力波的存在，经过半个世纪的搜寻，这一宇宙学的“世纪悬案”于2016年2月11日有了结果。由美国麻省理工学院、加州理工学院以及美国国家科学基金在华盛顿特区发布：人类首次直接探测到引力波！

　　2月27日，由未来论坛主办的“解密：引力波——时空震颤的涟漪”在清华大学大礼堂举行。加州理工学院物理学教授、美国物理学会会士、LIGO科学联盟核心成员陈雁北，清华大学信息技术研究院研究员曹军威，北京师范大学天文系教授朱宗宏，清华大学天体物理研究所所长毛淑德，中国科学院高能物理研究所研究员张双南，中国科学院物理所研究员丁洪联袂奉献了一场科学盛宴。

　　从被预言到被直接探测，人类对引力波的探索已经历经百年。在主题演讲中，陈雁北系统地介绍了物理学界是如何利用LIGO促成这一划时代科学发现的。

　　他浅显易懂地说明了引力波探测装置的工作原理：用激光干涉的方法来测量。激光打到一个分束镜，分成两束，沿着很长的距离传播以后，在镜子上分别反射，打回到分束镜上。如果两束的臂长一样，这两束打回来的光会在分束镜上合成一束从入射口回去，另外一口是没有光的。但是，如果有引力波，镜子的位置改变，产生的位移就会导致两束返回的光在分束镜上的相位有所变化，导致在没有光的口会产生信号光。把信号光检测出来以后，就可以探测出引力波。这种方法的好处是可以使臂长变得很长，越长就越可以放大引力波导致的镜子的运动。

　　“利用这个装置，在2015年9月14日，我们用这两个探测器分别发现了两个时间为0.2秒的引力波事件。这个图是将两个信号以0.7毫秒的时延错位以后，发现它们的波形也在很大程度上吻合。”

　　众多顶尖科学家聚集在荒野郊区，经年累月地守候地外传来的信息，这是独属于宇宙与科学家的浪漫。陈雁北表示，自己虽然是研究引力波的，但亲眼看到这个信号的时候，也感觉非常不可思议。他说：“如果回顾一下这个事件，是两个距离地球13亿年黑洞合并的信息传播到了地球，整个信号的长度只有0.2秒。今天的引力波探测只是一个起点，在未来，我们会有多波段的引力波探测，说明今天的探测不但是广义相对论和黑洞的直接验证，也可以说是新的天文学观测手段。”

　　在欧美对引力波的探测已经卓有成效之时，其他国家的尝试也不遑多让。LIGO团队在回答为什么要做引力波探测这么“辛苦而艰难”的问题时曾道：“这就是科学，我们不挑容易的事做。”如今，各国的科学家也有着相同的决心。

　　早在2009年，清华大学就被LIGO科学合作组（LSC）接受为正式成员，曹军威正是清华大学LIGO工作组负责人。在本次讲座上，曹军威透露，科学探索的需求一直是计算机技术发展的驱动力之一。LIGO项目对数据处理要求极高，对计算技术挑战很大，清华参与LIGO项目也是希望掌握第一手的应用需求。“我们非常自豪有机会来见证这样一个事件。多年以后，面对浩瀚星海，远航的星舰文明将会回想起2016年2月11日，人类公开宣布首次探测到引力波信号的那个遥远夜晚。”曹军威表示。

　　而在美国科学家宣布首次探测到引力波之后，曾荣获诺贝尔物理学奖的东京大学宇宙线研究所所长梶田隆章随后就表示将在日本使用已基本完成的引力波望远镜“神乐（KAGRA）”，于2017年启动对引力波的正式探测。在本次理解未来讲座上，北京师范大学天文系教授朱宗宏也介绍了中国和其他国家在引力波探测方面的最新进展。“1865年麦克斯韦发现了电磁波，100多年以来人类的一切都变化了。1916年爱因斯坦预言了引力波存在，100年后人类探测到了引力波。它最终将会怎样影响科学和人类的生活，我们还不清楚。其实引力波的探测同时也是一个天文项目，可以用它作为观测宇宙的全新的窗口，我们每次用新的波段去观察宇宙的时候，都会对天文学有不一样的惊喜发现。”

　　陈雁北介绍说，除了地面引力波探测，未来还会进行多波段引力波天文学的研究，今天的引力波探测不但是广义相对论和黑洞的直接验证，也可以说是新的天文学观测手段。“比如欧洲的爱因斯坦探测器是第三代的引力波探测器，可以覆盖1赫兹~10千赫兹。空间引力波探测可以探测到0.1毫兹~1赫兹之间的引力波，可以观测到星系中心超大质量黑洞碰撞的过程。这对于研究星系的形成演化是非常重要的，空间探测引力波是研究宇宙的另外一个重要方式。还有一种是用脉冲星定时的方式。脉冲星是一些中子星会发射出非常稳定的电磁信号，如果到达地球的时候有微小的偏差有可能是因为引力波导致的，它也可以探测超大质量黑洞并合的过程。最后就是在微波背景上测量宇宙大爆炸时的引力波背景形成的遗迹。”

　　在本次讲座上，共有来自全国各地的千余名观众热心参与。他们中有专业人士，也有热爱科学的普通人。“理解未来”系列讲座由未来论坛倾力打造，是面向社会大众开放的高质量月度科普讲座，目标是成为中国科学传播的最重要平台之一。

编辑：苑苑