圖說(shuō)：分別位于列文斯頓和漢福德的LIGO探測(cè)器以及它們分別探測(cè)到的引力波信號(hào)
《財(cái)經(jīng)》記者 王小/文
北京時(shí)間2月11日23點(diǎn)30分，一個(gè)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)向全世界宣布，美國(guó)的激光干涉引力波觀測(cè)站（LIGO）首次直接探測(cè)到了引力波，其波源來(lái)自13億光年之外的遙遠(yuǎn)宇宙空間，由兩個(gè)黑洞碰撞并合所引發(fā)。
“研究所的理論物理學(xué)家多數(shù)聚集在餐廳觀看引力波探測(cè)的新聞發(fā)布會(huì)?？吹叫及l(fā)現(xiàn)引力波的一刻大家一起歡呼鼓掌……其實(shí)本該在辦公室獨(dú)自觀看，因?yàn)樵诠_(kāi)的場(chǎng)合必須強(qiáng)忍淚水?！泵绹?guó)麻省理工學(xué)院物理教授文小剛在朋友圈寫(xiě)道。
新發(fā)現(xiàn)如此激動(dòng)人心，是因?yàn)椤霸跻Σā本褪菑V義相對(duì)論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中最后一塊缺失的的“拼圖”。 1916年愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論的框架內(nèi)，發(fā)表論文論證了引力波。來(lái)自大質(zhì)量天體引力的相互作用，比如黑洞合并會(huì)在時(shí)空中產(chǎn)生漣漪，并向外傳播擴(kuò)散，就像水池中水的擾動(dòng)向外傳播的波紋一樣，這種彎曲時(shí) - 空中的漣漪就是引力波。
中山大學(xué)天文與空間科學(xué)研究院院長(zhǎng)李淼對(duì)《財(cái)經(jīng)》說(shuō)：“LIGO這一劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟了物理學(xué)的引力波時(shí)代，引力波從此由理論上的存在變成事實(shí)上的存在。”一個(gè)理論終究需要被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，源于廣義相對(duì)論的其他重要預(yù)言，如光線的彎曲、水星的近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)以及引力紅移效應(yīng)等都一一被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，原初引力波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是支持廣義相對(duì)論的最后一個(gè)有力證據(jù)，它使相對(duì)論包括狹義和廣義所預(yù)言的所有現(xiàn)象全部被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
為這一刻，科學(xué)家們?nèi)淌芰寺L(zhǎng)的等待。早在20世紀(jì)70年代以來(lái)，世界上有好幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室研制安裝了利用激光干涉探測(cè)法進(jìn)行引力波探測(cè)的設(shè)備，即激光干涉引力波探測(cè)器。如美國(guó)的LIGO、德國(guó)的GEO600、日本TAMA和意法合作的VIRGO。
利用干涉儀進(jìn)行探測(cè)的基本原理在于，比較光在其相互垂直的兩臂中度越時(shí)所用的時(shí)間。當(dāng)引力波在垂直于干涉儀所在的平面入射時(shí)，由于它特殊的偏振特性，使干涉儀的一臂伸長(zhǎng)而使另一臂縮短，從而使光束在兩臂中度越時(shí)所用的時(shí)間差發(fā)生變化，探測(cè)到這種變化就證實(shí)引力波的存在。
美國(guó)LIGO項(xiàng)目在上世紀(jì)90年代初啟動(dòng)。由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金資助，由加州理工學(xué)院和麻省理工學(xué)院構(gòu)思、建造并運(yùn)行。LIGO擁有兩套干涉儀，一套在路易斯安納州的列文斯頓（Livingston, Louisiana），另一套在華盛頓州的漢福德（Hanford, Washington）。列文斯頓的干涉儀有一對(duì)封閉在直徑112米真空管中的長(zhǎng)4千米的臂，漢福德的干涉儀稍小，是一對(duì)2千米長(zhǎng)的臂。兩個(gè)探測(cè)器距離3000公里（相當(dāng)于光速傳播10毫秒）。
從上圖可見(jiàn)，激光器發(fā)出激光，被分成兩束，這兩束頻率完全同步的激光分別進(jìn)入兩個(gè)長(zhǎng)4公里，相互垂直的真空管。兩束激光在各自的管道中來(lái)回反射400次，最后疊加，進(jìn)行相消干涉。在正常情況下，它們應(yīng)該相互抵消。如果有引力波經(jīng)過(guò)，使兩條管道產(chǎn)生不同的長(zhǎng)度變化（一條變長(zhǎng)，一條變短），造成兩道激光的光程差，最后合并的時(shí)候，它們就會(huì)產(chǎn)生干涉條紋。
廣西師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院唐江凌等研究人員在《漫談引力波探測(cè)》中指出，因?yàn)榧す鈴?qiáng)度的微小變化、微弱的地面顫動(dòng)，甚至研究人員在實(shí)驗(yàn)室附近活動(dòng)引起的震動(dòng)等種種干擾，看起來(lái)都可能像引力波信號(hào)；然而如果是干擾信號(hào)，其記錄將只會(huì)出現(xiàn)在一臺(tái)干涉儀中，真正的引力波信號(hào)則會(huì)被分處兩地的兩臺(tái)干涉儀同時(shí)記錄。所以科學(xué)家可對(duì)兩地的數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行比較而得知哪些信號(hào)是噪聲、哪些信號(hào)是引力波信號(hào)。
這次被確證測(cè)到的引力波信號(hào)，是在世界協(xié)調(diào)時(shí)間2015年9月14日9時(shí)51（北京時(shí)間當(dāng)天下午17時(shí)51分）。這一引力波首先到達(dá)列文斯頓探測(cè)器，7毫秒之后到達(dá)漢福德探測(cè)器，這意味著引力波源位于南半球天區(qū)。
根據(jù)LIGO的這一觀測(cè)信號(hào)，科學(xué)家算出事件發(fā)生在距離地球十幾億光年之外的一個(gè)遙遠(yuǎn)星系中。兩個(gè)分別為36和29太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，在不到一秒的時(shí)間內(nèi)，并合為62太陽(yáng)質(zhì)量黑洞，雙黑洞并合最后時(shí)刻所輻射的引力波的峰值強(qiáng)度比整個(gè)可觀測(cè)宇宙的電磁輻射強(qiáng)度還要高十倍以上。
過(guò)程中的大質(zhì)量天體劇烈運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)著周?chē)臅r(shí)空，扭曲時(shí)空的波動(dòng)也在這個(gè)過(guò)程中以光速向外傳播出去。因此，引力波的本質(zhì)就是時(shí)空曲率的波動(dòng)，被謂為時(shí)空的“漣漪”。
這一發(fā)現(xiàn)是由LIGO科學(xué)合作組織（包含GEO合作組織和澳大利亞干涉引力天文協(xié)會(huì)）以及Virgo合作組織共同完成，數(shù)據(jù)來(lái)自兩個(gè) LIGO探測(cè)器。作為中國(guó)大陸唯一LIGO科學(xué)合作組織成員，清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)作出貢獻(xiàn)。該論文被《物理評(píng)論快訊》（Physical Review Letters）期刊接受發(fā)表。
這個(gè)發(fā)現(xiàn)將極大促進(jìn)其他引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展。不過(guò)，愛(ài)因斯坦可能對(duì)這一發(fā)現(xiàn)并不會(huì)像繼承者這樣激動(dòng)，他當(dāng)初“認(rèn)為引力波太過(guò)微弱而無(wú)法探測(cè)，并且他從未相信過(guò)黑洞的存在。不過(guò)，我想他并不介意自己在這些問(wèn)題上弄錯(cuò)了?！瘪R克斯·普朗克引力物理研究所（阿爾伯特·愛(ài)因斯坦研究所）所長(zhǎng)艾倫（Bruce Allen）對(duì)外稱。
這個(gè)新發(fā)現(xiàn)僅僅是人類探測(cè)引力波的開(kāi)端，因?yàn)槠鋬H限于可能輻射引力波很多種源中的一種，即合并的雙黑洞系統(tǒng)，且處于銀河系外。李淼說(shuō)：“引力波存在且可以被探測(cè)到將為我們打開(kāi)觀測(cè)宇宙中一些天體物理過(guò)程的一個(gè)新窗口，人類觀測(cè)宇宙從此有了兩個(gè)窗口：電磁波和引力波。引力波天文學(xué)將成為物理學(xué)與天文學(xué)一個(gè)新分支，人類將更加深刻地認(rèn)識(shí)宇宙。天文學(xué)在21世紀(jì)將進(jìn)入引力波天文學(xué)時(shí)代?！?/p>
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