美國科研人員11日宣布，他們利用激光干涉引力波天文臺(LIGO)于去年9月首次探測到引力波。這一發現印證了物理學大師愛因斯坦100年前的預言。
早在1915年，愛因斯坦在廣義相對論的基礎上提出了引力波的存在，并預言強引力場事件可產生引力波，比如黑洞合并、脈沖星自轉以及超新星爆發等。
現代物理學認為，引力波是一種與電磁波不同的輻射，無法通過電磁輻射直接觀測。引力波與宇宙中物質的相互作用是非常微弱的，因此可以傳播至很遠的宇宙空間。
為 “捕獲”引力波，美國國家自然科學基金會于上世紀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激光干涉引力波天文臺(LIGO)。每個天 文臺都有兩個長達4公里的測量臂，呈L型排列。來自加州理工學院、麻省理工學院等90多所高校的1000多名科學家參與LIGO的日常探測和研究。
美國東部時間2015年9月14日5時51分，位于利文斯頓的探測器首先傳出撞擊聲，7毫秒后，漢福德的探測器也傳出撞擊聲。這意味著有引力波傳到了地球，并被兩個天文臺探測到。
LIGO 官網11日在一份新聞稿中表示，此次探測到的引力波是由兩個黑洞合并引發的。這兩個黑洞的直徑都在150公里左右，它們不斷靠近，旋轉，并最終合并成一個 黑洞。兩個黑洞一個達到太陽質量的29倍，一個為太陽質量的36倍。據推測，兩個黑洞的合并發生在13億年前，合并過程中產生的引力波經漫長的傳播最終抵 達地球。
據推測，兩個黑洞以1/2倍光速的速度相撞后合并。二者在合并的過程中釋放出約3個太陽質量的能量，這些能量以引力波的形式輻射出去。
LIGO的創始者之一、麻省理工學院物理學教授雷納·維斯說，“引力波的發現漂亮地印證了愛因斯坦在100年前的預言。如果我們有機會告訴他這件事，我真想看看他臉上的表情。”
在哥倫比亞大學物理學教授紹博爾齊·馬爾卡看來，人類此前的天文學發現都好似“眼睛”，而引力波的發現意味著人類長了“耳朵”。他表示，引力波攜帶大量信息，它的發現可幫助科研人員更好地了解黑洞。
學界普遍認為，引力波的發現是物理學和天文學的一項重大突破。它開啟了人類探索宇宙的一扇大門，甚至可能揭開宇宙誕生早期的奧秘。
1、什么是引力波？
廣 義相對論告訴我們：在非球對稱的物質分布情況下，物質運動，或物質體系的質量分布發生變化時，會產生引力波。在宇宙中，有時就會出現如致密星體碰撞并合這 樣極其劇烈的天體物理過程。過程中的大質量天體劇烈運動擾動著周圍的時空，扭曲時空的波動也在這個過程中以光速向外傳播出去。因此引力波的本質就是時空曲 率的波動，也可以唯美地稱之為時空的“漣漪”。
下面這個動畫來自佛羅里達大學的S. Barke，顯示了兩個黑洞相互繞旋慢慢靠近最后并合的全過程。過程中黑洞周圍的時空被劇烈擾動，最后以引力波的形式傳播出去。
引力波的強度由無量綱量h表示。其物理意義是引力波引起的時空畸變與平直時空度規之比。h又被稱為應變，它的定義可以用下圖說明。
引力波豎直穿過由靜止粒子組成的圓所在平面時，圓形狀發生的變化。（圖片來自德國愛因斯坦研究所。）
由 上圖可見，在引力波穿過圓所在平面的時候，該圓會因為時空彎曲而發生畸變。圓內空間將隨引力波的頻率會在一個方向上被拉伸，在與其垂直的方向相應地被壓 縮。為了便于解釋引力波的物理效應，圖中所顯示的應變h大約是0.5，這個數值遠遠大于引力波的實際強度。哪怕是很強的天體物理引力波源所釋放的引力波強 度，到達地球時也只有10-21。這個強度的引力波在整個地球這么大的尺度上產生的空間畸變不超過10-14米，剛好比質子大10倍。
2、引力波是怎么被發現的？
在 過去的六十年里，有許多物理學家和天文學家為證明引力波的存在做出了無數努力。其中最著名的要數引力波存在的間接實驗證據——脈沖雙星 PSR1913+16。1974年，美國物理學家家泰勒（Joseph Taylor）和赫爾斯（Russell Hulse）利用射電望遠鏡，發現了由兩顆質量大致與太陽相當的中子星組成的相互旋繞的雙星系統。由于兩顆中子星的其中一顆是脈沖星，利用它的精確的周期 性射電脈沖信號，我們可以無比精準地知道兩顆致密星體在繞其質心公轉時他們軌道的半長軸以及周期。根據廣義相對論，當兩個致密星體近距離彼此繞旋時，該體 系會產生引力輻射。輻射出的引力波帶走能量，所以系統總能量會越來越少，軌道半徑和周期也會變短。
泰勒和他的同行在之后的30年時間里面 對PSR1913+16做了持續觀測，觀測結果精確地按廣義相對論所預測的那樣：周期變化率為每年減少76.5微秒，半長軸每年縮短3.5米。廣義相對論 甚至還可以預言這個雙星系統將在3億年后合并。這是人類第一次得到引力波存在的間接證據，是對廣義相對論引力理論的一項重要驗證。泰勒和赫爾斯因此榮獲 1993年諾貝爾物理學獎。
PSR1913+16轉動周期累積移動觀測值與廣義相對論預言值的比較。圖中藍色曲線為廣義相對論的預測值，紅點為觀測值。兩者誤差小于0.2%，此發現給引力波科學注入了一針強心劑。
在 實驗方面，第一個對直接探測引力波作偉大嘗試的人是韋伯（Joseph Weber）。早在上個世紀50年代，他第一個充滿遠見地認識到，探測引力波并不是沒有可能。從1957年到1959年，韋伯全身心投入在引力波探測方案 的設計中。最終，韋伯選擇了一根長2米，直徑0.5米，重約1噸的圓柱形鋁棒，其側面指向引力波到來的方向。該類型探測器，被業內稱為共振棒探測器（如下 圖）：
韋伯和他設計的共振棒探測器。引力波驅動鋁棒兩端振動，從而擠壓表面的晶片，產生可測的電壓。圖片來自：馬里蘭大學。
當 引力波到來時，會交錯擠壓和拉伸鋁棒兩端，當引力波頻率和鋁棒設計頻率一致時，鋁棒會發生共振。貼在鋁棒表面的晶片會產生相應的電壓信號。共振棒探測器有 很明顯的局限性，比如它的共振頻率是確定的，雖然我們可以通過改變共振棒的長度來調整共振頻率。但是對于同一個探測器，只能探測其對應頻率的引力波信號， 如果引力波信號的頻率不一致，那該探測器就無能為力。此外，共振棒探測器還有一個嚴重的局限性：引力波會產生時空畸變，探測器做的越長，引力波在該長度上 的作用產生的變化量越大。韋伯的共振幫探測器只有2米，強度為10-21的引力波在這個長度上的應變量(2×10-21米)實在太小，對上世紀五六十年代 的物理學家來說，探測如此之小的長度變化是幾乎不可能的。雖然共振棒探測器沒能最后找到引力波，但是韋伯開創了引力波實驗科學的先河，在他之后，很多年輕 且富有才華的物理學家投身于引力波實驗科學中。
在韋伯設計建造共振棒的同時期，有部分物理學家認識到了共振棒的局限性，有一種基于邁克爾 遜干涉儀原理的引力波探測方案在那個時代被提出。到了70年代，麻省理工學院的韋斯（Rainer Weiss）以及馬里布休斯實驗室的佛瓦德（Robert Forward），分別建造了引力波激光干涉儀。到了70年代后期，這些干涉儀已經成為共振棒探測器的重要替代者。
引力波激光干涉儀的工作原理
上 圖可以描述引力波激光干涉儀的基本思想。可以簡單理解為有四個測試質量被懸掛在天花板上，一束單色、頻率穩定的激光從激光器發出，在分光鏡上被分為強度相 等的兩束，一束經分光鏡反射進入干涉儀的X臂，另一束透過分光鏡進入與其垂直的另一Y臂。經過末端測試質量反射，兩束光返回，并在分光鏡上重新相遇，產生 干涉。我們可以通過調整X、Y臂的長度，控制兩束光是相消的，此時光子探測器上沒有光信號。當有引力波從垂直于天花板的方向進入之后，會對兩臂中的一臂拉 伸，另一臂壓縮，從而兩束光的光程差發生了變化，原先相干相消的條件被破壞，探測器端的光強就會有變化，以此得到引力波信號。激光干涉儀對于共振棒的優勢 顯而易見：首先，激光干涉儀可以探測一定頻率范圍的引力波信號；其次，激光干涉儀的臂長可以做的很長，比如地面引力波干涉儀的臂長一般在千米的量級，遠遠 超過共振棒。
自20世紀90年代起，在世界各地，一些大型激光干涉儀引力波探測器開始籌建，引力波探測黃金時代就此拉開了序幕。
這 些引力波探測器包括：位于美國路易斯安那州利文斯頓臂長為4千米的LIGO（L1）；位于美國華盛頓州漢福德臂長為的4千米的LIGO（H1）；位于意大 利比薩附近，臂長為3千米的VIRGO；德國漢諾威臂長為600米的GEO，日本東京國家天文臺臂長為300米的TAMA300。這些探測器在2002年 至2011年期間共同進行觀測，但并未探測到引力波。在經歷重大改造升級之后，兩個高新LIGO探測器于2015年開始作為靈敏度大幅提升的高新探測器網 絡中的先行者進行觀測，而高新VIRGO也將于2016年年底開始運行。此外，歐洲的空間引力波項目eLISA和日本的地下干涉儀KAGRA 的研發與建設也在緊鑼密鼓地進行。
想要成功探測諸如GW150914的引力波事件，不僅需要這些探測器具有驚人的探測靈敏度，還需要將真 正來自于引力波源的信號與儀器噪聲分離：例如由環境因素或者儀器本身導致的微擾，都會擾亂或者輕易淹沒我們所要尋找的信號。這也是為什么需要建造多個探測 器的主要原因。它們幫助我們區分引力波和儀器環境噪聲，只有真正的引力波信號會出現在兩個或者兩個以上的探測器中。當然考慮到引力波在兩個探測器之間傳播 的時間，前后出現會相隔幾個毫秒。
上 圖（來自LIGO Laboratory/Corey Gray）是位于美國路易斯安那州利文斯頓附近，臂長4千米的激光干涉儀引力波探測器（L1）。下圖為高新LIGO的靈敏度曲線: 圖中X軸是頻率，Y軸是頻率對應的噪聲曲線，儀器噪聲越低，探測器對引力波的靈敏度越高。可見高新LIGO的最佳靈敏度在100-300Hz之間。
經 過4年不斷升級和測試的高新LIGO終于在2015年9月初試鋒芒。事實上，很多人都對2015年的第一次觀測運行（O1）能否探測到信號抱有懷疑態度， 因為它的靈敏度還遠遠沒到最佳狀態。然而，宇宙往往在不經意間給人以驚喜。甚至在O1沒有正式啟動時，GW150914就已經不期而遇了*。萬幸的 是，O1采用的是軟啟動，所以在信號到達地球時，探測器已經處于工作狀態了，采集到的數據也是可靠的。
3、發現引力波意味著什么？
“愛因斯坦當初認為引力波太過微弱而無法探測，并且他從未相信過黑洞的存在。不過，我想他并不介意自己在這些問題上弄錯了。”——馬克斯·普朗克引力物理研究所（阿爾伯特·愛因斯坦研究所）所長艾倫（Bruce Allen）
“通過這項發現，我們人類開啟了一場波瀾壯闊的新旅程：一場對于探索宇宙那彎曲的一面（從彎曲時空而產生的事物和現象）的旅程。黑洞的碰撞和引力波的觀測正是這個旅程中第一個完美的范例。”——索恩(Kip Thorne)
“引力波的直接探測實現了50年前就設定好了的偉大目標：直接探測難以捕捉的事物，更好地理解宇宙，以及，在愛因斯坦廣義相對論100周年之際完美地續寫愛因斯坦的傳奇。” ——加州理工學院，LIGO天文臺的執行官萊茲（David H. Reitze）
“這項探測是一個是時代的開始：引力波天文學研究領域現在終于不再是紙上談兵。”——LSC發言人，路易斯安那州立大學物理與天文學教授岡薩雷斯(Gabriela González)
“在 《星際穿越》和《三體》中，都不約而同地將引力波選為了未來科技發達的人類的通訊手段，這也許只能是美好的幻想，但對于天文研究而言，引力波的確開啟了一 扇新的窗口。吹進來的第一縷清風，就帶來了一個重大的信息：極重的恒星級雙黑洞系統存在并可以在足夠短的時間（10億年）內并合。這是讓我們始料未及的。 誰能知道在將來的更多的探測中，LIGO和一眾引力波探測器能帶給我們什么樣的驚喜呢？” ——馬克斯·普朗克引力物理研究所、清華大學博士后，胡一鳴
“不少親朋好友問過我，你在研究些什么。我都這么回答：我們在找另一種光，一旦找到，意味著人類從此有了第六感，就像有了超能力，用一雙天眼飽覽神秘宇宙中無盡的奧妙。現在，我們，找到了！” ——馬克斯·普朗克引力物理研究所博士生，明鏡
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