發(fā)現(xiàn)引力波：聆聽宇宙之聲

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發(fā)現(xiàn)引力波：聆聽宇宙之聲

這是一場跨越百年的接力。

從愛因斯坦偉大的預(yù)言，到一代又一代科學(xué)家矢志不渝的求索，2月11日，當(dāng)“引力波”這三個字，以核裂變般的速度引爆全球，全世界都在為這扇探索宇宙新窗口的開啟而歡欣鼓舞。

愛因斯坦又對了！在這位大科學(xué)家提出引力波的預(yù)言百年之后，美國加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院以及美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）的研究人員宣布，他們利用LIGO探測器于2015年9月14日探測到來自于兩個黑洞合并的引力波信號。

引力波是一種時空漣漪，如同石頭被丟進(jìn)水里產(chǎn)生的波紋一樣。黑洞、中子星等天體在碰撞過程中有可能產(chǎn)生引力波。100年前，愛因斯坦的廣義相對論預(yù)言了引力波的存在。廣義相對論的其他預(yù)言如光線的彎曲、水星近日點進(jìn)動以及引力紅移效應(yīng)都已獲證實，唯有引力波一直徘徊在科學(xué)家的“視線”之外。如今，愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最后一塊缺失的“拼圖”被補(bǔ)上了。它的發(fā)現(xiàn)是物理學(xué)界里程碑式的重大成果。

我們能“聽見”宇宙了

“女士們、先生們，我們已經(jīng)探測到引力波，我們找到它了。”LIGO執(zhí)行主任戴維·賴茨2月11日在華盛頓舉行的記者會上宣布。

在一片嘈雜的背景噪音中，一聲“噗”的清脆聲響，如水滴落水，持續(xù)時間不到1秒，這正是由引力波轉(zhuǎn)化成的宇宙之聲。在記者會上，LIGO科學(xué)家現(xiàn)場播放了來自宇宙的“聲音”。

“我們能‘聽見’引力波，我們能‘聽見’宇宙，這是引力波最美妙的事件之一。我們不僅將‘看見’宇宙，我們還將‘傾聽’它。”LIGO項目組發(fā)言人、路易斯安那州立大學(xué)物理學(xué)家加布里埃拉·岡薩雷斯介紹。

來自加州理工學(xué)院的賴茨把尋找引力波比作科學(xué)上的登月項目。“我們做到了，我們登上了這個‘月球’。”他興奮地說。

“我相信愛因斯坦看到今天的結(jié)果，一定也會嚇一跳，”LIGO科學(xué)合作組織研究成員之一、加州理工學(xué)院物理學(xué)教授陳雁北說，“盡管他會因自己在廣義相對論、量子力學(xué)、激光等多個領(lǐng)域的貢獻(xiàn)感到欣慰，但百年來物理學(xué)已獲得前所未有的發(fā)展。對于人類今天的成就，愛因斯坦一定無法想象。”

愛因斯坦百年前預(yù)言引力波存在，但也曾認(rèn)為，由于引力波太過微弱，它無法被探測到。參與LIGO項目的澳大利亞墨爾本大學(xué)研究員孫翎說：“我們證明了愛因斯坦的正確，另一方面他也說錯了，我們真的探測到了。”

是誰“聽到”了13億年前那聲響

13億年前，兩個恒星量級黑洞撞到了一起。

大約3倍于太陽質(zhì)量的物質(zhì)，在不到1秒的時間內(nèi)，被轉(zhuǎn)化為引力波。這在時空中激蕩起的漣漪，以光的速度向外擴(kuò)散。

黑洞合并的交響曲已經(jīng)奏響，只是它幾乎無聲無息，混雜于所有噪聲中。

100年前，物理學(xué)家愛因斯坦做出了關(guān)于引力波的預(yù)言。時空告訴物質(zhì)如何運動，物質(zhì)引導(dǎo)時空如何彎曲。當(dāng)物質(zhì)在時間的“水面”運動，水波便會蕩開。但他又說，在所有能想得到的情況下，引力波的輻射都可以被忽略。

有多小呢？當(dāng)一列引力波向你走來，你便會經(jīng)歷一個忽高忽矮、忽胖忽瘦的神奇過程。但是這樣的一個變化幅度，大概為一個氫原子的五百億分之一那么微小。

不過人類并未因此放棄探測引力波。

追尋的征程

實驗物理學(xué)家約瑟夫·韋伯用共振法尋找引力波，他自己發(fā)明了一種鋁制圓筒作為探測工具。上世紀(jì)60年代末，他宣稱引力波撞擊了這一探測器。但他的實驗結(jié)果從未再現(xiàn)，又無法解釋，因此未獲認(rèn)同。

又是幾年過去，1974年，兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一對脈沖雙星。這個星體由兩個在近距離軌道里相互纏繞的中子星組成，而且以愛因斯坦預(yù)測的速度螺旋式向內(nèi)靠攏——這是引力波存在的間接證據(jù)！神秘的引力波，現(xiàn)出了一個朦朧身影。

可是還不夠。20世紀(jì)90年代起，在世界各地，一批大型激光干涉引力波探測器開始籌建。它們是人類用來捕捉引力波音符的耳朵。

17年前，LIGO在美國初步建成，它是美國分別在路易斯安那州利文斯頓市與華盛頓州小城漢福德市建造的兩個引力波探測器。2005年至2007年間，LIGO進(jìn)行過一次升級改造。升級后的LIGO于2009年7月重啟，直到2010年10月結(jié)束，但未能探測到引力波存在的可靠證據(jù)。2010年，LIGO開始對探測器進(jìn)行升級。2015年9月，靈敏度提升了十倍的升級版LIGO整裝再出發(fā)。長臂中的激光再次不知疲倦反復(fù)奔跑，等待著引力波降臨，那個神奇的干涉圖紋的出現(xiàn)。

LIGO如何“聽到”引力波

LIGO系統(tǒng)由相距1865英里（約3000公里）的兩個完全相同的探測器組成。每個探測器包含由兩個長度為4公里的L形真空管。科學(xué)家們通過真空管來發(fā)射激光束。每束激光到達(dá)真空管末端后，會被鏡面反射，并沿相反路線返回。在同等條件下，兩束激光應(yīng)該在完全相同的時間抵達(dá)源頭，由于干涉作用，光線不會抵達(dá)光電探測器。而一旦有引力波穿過探測器，根據(jù)愛因斯坦100年前的預(yù)測，會使兩個真空管中的空間出現(xiàn)極其微小的拉伸與壓縮，從而破壞了原有的完美平衡，使光線外泄到光電探測器上。

建造LIGO最難，也是LIGO最厲害的地方在于：整個探測器都需要根據(jù)地球曲率校正設(shè)計建成，盡可能避免來自地表震動的干擾；為減少大氣和污染物對激光運行的干擾，還要將其置于真空之中。為確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，開機(jī)后兩臺探測器必須不間斷地記錄結(jié)果，任何一個小數(shù)據(jù)都不能遺漏。

有人打了一個比方來形容LIGO所能達(dá)到的精度——LIGO能在1公里的長度上找到小于原子核半徑一萬倍的空間變化。

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，并被兩個探測器探測到。

LIGO項目組稱，基于觀測到的信號，此次探測到的引力波是由兩個黑洞合并引發(fā)的。這兩個黑洞的直徑都在150公里左右，質(zhì)量分別是太陽質(zhì)量的29倍和36倍，合并后的總質(zhì)量是62個太陽質(zhì)量，3個太陽質(zhì)量的能量以引力波的形式在不到1秒的時間內(nèi)釋放，釋放的峰值能量比整個可見宇宙釋放的能量還要高出約50倍。據(jù)推測，兩個黑洞的合并發(fā)生在13億年前，它們不斷靠近，旋轉(zhuǎn)，并最終合并成一個黑洞。合并過程中產(chǎn)生的引力波經(jīng)漫長的傳播最終抵達(dá)地球。

引力波探測的中國足跡

百年來，引力波的身影總是顯得“虛無縹緲”，但在這個頂級世界難題的漫長求索中，中國科學(xué)家從未放棄過自己的努力。這一次，當(dāng)我們在多達(dá)1004位作者的龐大署名中，發(fā)現(xiàn)3個屬于中國科學(xué)家的名字時，我們還應(yīng)記取另外一些閃耀在引力波“捕獲”之路上的中國科學(xué)家的身影。

研究始于四十年前

早在20世紀(jì)70年代，中國科學(xué)家就開始了引力波研究。

中山大學(xué)是國內(nèi)引力波研究的先行者，該校相關(guān)負(fù)責(zé)人還原了這段中國人向世界難題發(fā)起沖擊的歷史：“1973年，中科院的王祝翔、秦榮先等人前往廣州，商討中科院高能所和中山大學(xué)合作引力波符合探測研究的事宜，得到中大及物理系教授陳嘉言等人的大力支持。1976年，國家科委和教育部決定把這項研究定為國家重點研究項目。”

老一輩科學(xué)家的探索不久之后就收獲了碩果。

1979年7月，第二屆格拉斯曼廣義相對論國際會議在意大利舉行。陳嘉言因為在引力波研究方面的貢獻(xiàn)，被聘為會議顧問委員會委員。在會上，陳嘉言作了《北京—廣州引力波探測進(jìn)展》的報告，這是中國的引力波研究第一次被國際社會所認(rèn)可。

兩個月后，中國引力與相對論天體物理學(xué)會在廣州成立，許多老一輩的著名科學(xué)家如錢三強(qiáng)、周培源參加了學(xué)會，中科院學(xué)部委員北京大學(xué)胡寧教授為理事長，陳嘉言當(dāng)選為副理事長。此后，中國引力波研究的捷報頻傳。

1980年初，常溫共振型引力波探測器完成組裝。

1981年6月，常溫引力波探測系統(tǒng)開始實驗性運行，測出和記錄了天線的熱噪聲，得出了理論靈敏度同實測靈敏度一致的結(jié)果。

1982年1月，陳嘉言應(yīng)邀到西澳大利亞大學(xué)訪問并作學(xué)術(shù)報告，受到當(dāng)?shù)厝A僑組織歡迎，這也是中國科學(xué)界首次到當(dāng)?shù)卦L問。

但遺憾也隨之而來。1982年4 月9日，陳嘉言工作時不幸在真空罐中觸電殉職，終年46歲。在他離世后，由于人才隊伍接續(xù)等問題，中國的引力波研究停滯了十多年。直到2008年，在中科院力學(xué)所國家微重力實驗室胡文瑞院士的推動下成立了空間引力波探測工作組，引力波的中國研究才再啟征程。

融入世界“協(xié)同作戰(zhàn)”的中國團(tuán)隊

令人欣喜的是，盡管有一段空白歷史，但在這次至關(guān)重要的“捕獲”中，中國科學(xué)家并未缺位。憑借高精度的數(shù)據(jù)分析能力，中國科學(xué)家“凈化”了引力波探測中的干擾信號，與全世界頂尖科學(xué)家“協(xié)同作戰(zhàn)”，共同開啟了全新的天文時代。

清華大學(xué)信息技術(shù)研究院研究員、LSC理事會成員曹軍威正是這支“凈化之軍”的負(fù)責(zé)人。2004年至2006年，在美國麻省理工學(xué)院空間研究中心工作的曹軍威便參與了引力波數(shù)據(jù)計算和分析的工作。在這期間，他時刻關(guān)注著LIGO的工作動態(tài)。“國內(nèi)研究團(tuán)隊不應(yīng)該在這樣的頂級研究領(lǐng)域落后。”2006年回國后，曹軍威組織創(chuàng)建了清華LIGO工作組，由來自信研院、自動化系、計算機(jī)系和工程物理系的教師和學(xué)生組成。他們采用先進(jìn)計算技術(shù)提高引力波數(shù)據(jù)分析的速度和效率，也逐漸得到了國際同行的認(rèn)可。2009年，清華大學(xué)被LIGO科學(xué)合作組織（LSC）接受為正式成員，也是目前中國大陸唯一的LSC成員。

“這次發(fā)現(xiàn)的確美妙和激動人心，但日常工作中的海量數(shù)據(jù)分析并不總是令人愉快。”曹軍威介紹，LIGO數(shù)據(jù)的采樣頻率特別高，達(dá)到每秒1.6萬次以上，采樣信道達(dá)上萬個，數(shù)據(jù)量大，需要先進(jìn)的計算機(jī)處理技術(shù)做支撐。而對于這樣的海量處理，需要的是“坐穿板凳”的沉潛定力。“漫長的時間里，LIGO探測器并沒有達(dá)到設(shè)計精度，是探測不到真正的引力波信號的，可以認(rèn)為實際大家在處理的全都是噪聲，可就是在對這些噪聲的一點一滴的處理中不斷積累經(jīng)驗，不斷提升儀器的精度，才有了今天的探測靈敏度。”曹軍威如是說。

郭翔宇是清華計算機(jī)系高性能計算所的碩士研究生，也是清華LIGO工作組中一名普通科研人員。他每天的科研任務(wù)，就是讓引力波數(shù)據(jù)分析處理的過程更有效率。“每周我們都要與西澳大利亞大學(xué)的項目組成員跨洋討論，一年多來，我在先前的基礎(chǔ)上，將探測器GPU的信息處理速度從原有的58倍提升到了120倍以上。”郭翔宇說。

開啟中國本土的引力波探測

“目前，我國主要有兩大引力波探測項目：中科院高能所主導(dǎo)的‘阿里實驗計劃’和中山大學(xué)領(lǐng)銜的‘天琴計劃’。一個是在地面上聆聽引力波的音符，一個是到太空去捕捉引力波的聲響。”2月13日，中國科學(xué)院高能物理研究所在其官方微博上發(fā)布了上述內(nèi)容。這意味著，在積極融入頂尖課題的世界協(xié)同作戰(zhàn)之余，中國科學(xué)家也同時開啟了新一輪的本土沖擊。

來自科技部的消息顯示，致力于“在地面聆聽引力波音符”的中科院國家天文臺阿里觀測站位于西藏阿里獅泉河鎮(zhèn)以南海拔5100米的山脊，海拔高、云量少、水汽低、透明度高。它的選址工作在國家天文臺相關(guān)研究人員的帶領(lǐng)下，持續(xù)長達(dá)10年，已成為天文臺選址工作的典范。建成后，其地理上的中緯度范圍、對天區(qū)的廣闊覆蓋，有望填補(bǔ)北半球觀測宇宙微波背景輻射的空白。

而立志“到太空去捕捉引力波的聲響”的“天琴計劃”則由中山大學(xué)于2015年7月23日牽頭啟動，主要是以引力波研究為中心，開展空間引力波探測計劃任務(wù)的預(yù)先研究，制定中國空間引力波探測計劃的實施方案和路線圖，并開展關(guān)鍵技術(shù)研究。中山大學(xué)相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，該計劃主要將分四階段實施，大約需要20年，投資150億元。

“探測到引力波只是剛剛開始，并非結(jié)束，我們非常需要中國科學(xué)家的努力。”LIGO數(shù)據(jù)分析專家、加州理工學(xué)院物理系教授艾倫·魏因施泰對中國科學(xué)家的努力充滿期待。

曹軍威始終認(rèn)為，作為最前沿、最頂尖的科學(xué)探索之一，如引力波探測般的世界頂級課題必定是一次全球智慧的協(xié)作與“眾包”，而自己的團(tuán)隊正是這個“特大集成研究項目”中的一環(huán)。他總結(jié)了三個引力波探測的特點：投資規(guī)模大、多學(xué)科交叉、國際緊密合作。“這樣規(guī)模的科學(xué)探索遠(yuǎn)超出某個單一學(xué)科的范疇，也超出某一個研究小組、一個大學(xué)或研究機(jī)構(gòu)，甚至一個國家的能力，必須是物理、天文、機(jī)械、激光、精密儀器、信息等方方面面的專家共同參與，在全球范圍聯(lián)合攻關(guān)。”

中山大學(xué)天文與空間科學(xué)研究院院長李淼認(rèn)為：“引力波的發(fā)現(xiàn)，會進(jìn)一步刺激各國的研究進(jìn)度，世界各地的引力波研究計劃將很快推進(jìn)，中國本土研究的進(jìn)展也會加快。”

這進(jìn)步背后，除了對基礎(chǔ)科學(xué)投入的重視，還要有一種摒棄功利的、廣闊的人類意識。當(dāng)人類共同走進(jìn)“引力波”時代，這一激動人心的發(fā)現(xiàn)所帶給我們的啟示，對中國科學(xué)界似乎同樣極具價值。（本刊綜合）※