科学家宣布发现引力波

爱因斯坦的广义相对论最后预言获证 将开启观测宇宙的新窗口

来源：北京青年报 2-13 雷嘉

爱因斯坦又对了！在这位大科学家提出引力波的预言百年之后，科学家11日宣布，人类首次直接探测到了引力波。这是人类第一次能够“听”到宇宙的“声音”。美国“激光干涉引力波天文台”（LIGO）执行主任戴维·赖茨把寻找引力波比作科学上的登月项目。“我们做到了，我们登上了这个‘月球’”。

美国科学家11日宣布第一次直接探测到引力波的存在。引力波是爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”，它的发现是物理学界里程碑式的重大成果。

在一片嘈杂的背景噪音中，一声“噗”的清脆声响，如水滴落水，持续时间短暂得不到1秒，这正是由引力波转化成的宇宙之声。当天在华盛顿召开的记者会上，美国“激光干涉引力波天文台”（LIGO）科学家现场播放了来自宇宙的“声音”。

“这一发现是一个新时代的开端，引力波天文学现在成为现实。”正如LIGO项目组发言人、路易斯安那州立大学物理学家加布里埃拉·冈萨雷斯所言，“我们能够‘听见’引力波，我们能够‘听见’宇宙，这是引力波最美妙的事件之一。我们将不仅‘看见’宇宙，我们还将‘倾听’它。”

引力波是一种时空涟漪，如同石头被丢进水里产生的波纹。黑洞、中子星等天体在碰撞过程中有可能产生引力波。100年前，爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在。广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星近日点进动以及引力红移效应都已获证实，唯有引力波一直徘徊在科学家的“视线”之外。

上世纪70年代，曾有美国科学家在观测双星系统的过程中，发现引力波存在的间接证据，并因此获得1993年诺贝尔物理学奖。

在将于《物理学评论通讯》杂志发表的新研究中，科学家探测到的是由黑洞合并产生的一个时间极短的引力波信号，持续不到1秒。它经过13亿年的漫长旅行，于2015年9月14日抵达地球，被刚改造升级的LIGO的两个探测器以7毫秒的时间差先后捕捉到。

据研究人员估计，两个黑洞合并前的质量分别相当于36个和29个太阳质量，合并后的总质量是62个太阳质量，3个太阳质量的能量以引力波的形式在不到1秒的时间内释放，释放的峰值能量比整个可见宇宙释放的能量还要高出约50倍。

LIGO是美国分别在路易斯安那州利文斯顿市与华盛顿州小城汉福德市建造的两个引力波探测器，改造升级后其探测灵敏度大幅提高。10多个国家超过1000名科学家参与了这个搜寻引力波的项目。

有关LIGO发现引力波的传言已在物理学界传播了几个月，最早透露这一消息的是美国亚利桑那州立大学物理学家劳伦斯·克劳斯，但一直没有获得LIGO项目组证实。克劳斯说，发现引力波是一个“重大里程碑”，它开启了观测宇宙的一个新窗口，就像望远镜的发明或太空无线电波的发现一样。引力波天文学将成为21世纪的天文学。

德国马普引力物理所、清华大学博士后、LIGO科学合作组织成员胡一鸣表示，引力波的意义，不仅是验证广义相对论，更对天文探测起着无比重要的作用。比如说，在正式运行之前，几乎没有人会相信第一个探测到的引力波信号会是双黑洞并合，而且是质量如此之大的黑洞双星。通过这一次观测，科学家知道了数十倍太阳质量的黑洞是可以存在的。这一切，都无法通过传统的电磁波天文学得到。

追访

清华研究团队参与发现引力波

作为中国大陆唯一LIGO科学合作组织（LSC）成员，清华大学的研究团队参与了LSC引力波暴和数据分析软件等工作组相关研究。该研究团队由该校信息技术研究院研究员、清华天体物理中心兼职研究员、LSC理事会成员曹军威负责。团队还包括该校计算机系副教授都志辉、王小鸽等人。研究团队着重采用先进计算技术提高引力波数据分析的速度和效率，参与了LSC引力波暴和数据分析软件等工作组相关研究。

研究成果包括：GPU加速引力波暴数据分析和实现低延迟实时致密双星并合信号的搜寻；采用机器学习方法加强引力波数据噪声的分析；分析引力波事件显著性的系统误差等。清华的团队还参与构建引力波数据计算基础平台，开发的数据分析软件工具为LSC成员广泛使用。

参与研究的清华LSC研究团队科学家说，他们着重采用先进计算技术提高引力波数据分析的速度和效率。如果说引力波发现有重大意义，那么探测和数据分析技术水平的提高意义也同样重要。

科学家还告诉北青报记者，虽然国际上引力波科学研究和观测工作开展得如火如荼，中国在这方面的基础还相对薄弱，目前尚没有自主建设的引力波天文台。随着国际上引力波直接观测的成功和引力波天文学时代的开启，中国亟须自主建设引力波天文台。

科普

引力波为何难以捕捉？

引力波是非常弱的一种信号，弱到连爱因斯坦本人都曾怀疑能否建造足够灵敏的探测器。探测引力波很长一段时间内被视为“不可能完成的任务”。

20世纪90年代起，大型激光干涉仪引力波探测器开始在全球范围内兴建，真正拉开了引力波探测黄金时代的序幕。

美国分别在路易斯安那州利文斯顿市与华盛顿州小城汉福德市建造了两个激光干涉引力波探测器（LIGO）。LIGO拥有巨大的L形测量臂，每边各有4000米长，两端设有反射镜面。发出的一束激光沿着L形互相垂直的两边前进并被来回反射。一般情况下，激光由于干涉而互相抵消，探测器接收不到光信号，但一旦引力波经过，便会改变激光通过的距离，从而被观测到。

探测引力波需要探测器具有极高的灵敏度，还需区分开来引力波信号和环境或仪器噪声。10多个国家超过1000名科学家参与了这个搜寻引力波的项目。

2015年9月14日北京时间17点50分45秒，位于利文斯顿与汉福德的两台探测器同时观测到了后来被命名为GW150914的引力波信号。科学家们通过进一步的数据分析还证实了这是两个黑洞合并的事件。
LIGO项目共同创始人、麻省理工大学教授赖纳·韦斯说：“如果我们能够把这一消息告诉给爱因斯坦，那么他的表情一定会很好玩。”

在当天的记者会上，也有人问所探测到的引力波信号是不是好得过头了？LIGO项目科学家的回答是，他们花了几个月的时间进行验证，这也是为什么去年9月探测到引力波信号，却拖到今天才宣布。这些科学家还相信，随着探测器灵敏度的提高，今年应该会探测到更多引力波信号。

声音

引力波提供了一种看待宇宙的全新方式

多国家科学家认为，新发现不仅填补了广义相对论实验验证中最后一块缺失的拼图，让现代物理学的根基更加坚实，也意味着科学家抓住了揭开宇宙奥秘的“钥匙”，有助于了解宇宙的起源和运行机制。

英国著名理论物理学家斯蒂芬·霍金表示：“引力波提供了一种人们看待宇宙的全新方式。（人类）探测到引力波的这种能力，很有可能引发天文学革命。”

参与LIGO项目的美国宾夕法尼亚州立大学科学家查德·汉娜说，我们无法预测引力波天文学将如何改变对宇宙的基本认知，就像伽利略用他的小望远镜预测不了哈勃太空望远镜展现给我们的宇宙那样，“我们可以预期的是，100年后我们的后辈所知道的将与我们所知道的有天壤之别。”

LIGO项目共同创始人、加州理工学院教授基普·托尔内是好莱坞科幻大片《星际穿越》的科学顾问。有人在记者会上问这一发现对时间旅行有什么意义，他回答说：“这大大加深了我们对在极端扭曲情况下的时空行为的了解，但我不认为它使我们距时间旅行更近一步。我倒是希望如此，但那是两个不同的方向。”

100年前，爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在。但爱因斯坦也曾认为，由于引力波太过微弱，它无法被探测到。参与LIGO项目的墨尔本大学研究人员孙翎告诉记者，这次“我们既证明了他的正确，另一方面他也说错了，我们真的探测到了”。