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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,美国加州理工学院、麻省理工学院以及美国激光干涉引力波天文台（LIGO）的研究人员宣布,他们利用LIGO探测器于2015年9月14日探测到来自于两个黑洞合并的引力波信号.
引力波是一种时空涟漪,如同石头被丢进水里产生的波纹一样.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.如今,爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”被补上了.它的发现是物理学界里程碑式的重大成果.
“女士们、先生们,我们已经探测到引力波,我们找到它了.” LIGO执行主任戴维·赖茨2月11日在华盛顿举行的记者会上宣布.
在一片嘈杂的背景噪音中,一声“噗”的清脆声响,如水滴落水,持续时间不到1秒,这正是由引力波转化成的宇宙之声.在记者会上,LIGO科学家现场播放了来自宇宙的“声音”.
“我们能‘听见’引力波,我们能‘听见’宇宙,这是引力波最美妙的事件之一.我们不仅将‘看见’宇宙,我们还将‘倾听’它.”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·冈萨雷斯介绍.
来自加州理工学院的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’.”他兴奋地说.
“我相信爱因斯坦看到今天的结果,一定也会吓一跳,”LIGO科学合作组织研究成员之一、加州理工学院物理学教授陈雁北说,“尽管他会因自己在广义相对论、量子力学、激光等多个领域的贡献感到欣慰,但百年来物理学已获得前所未有的发展.对于人类今天的成就,爱因斯坦一定无法想象.”
爱因斯坦百年前预言引力波存在,但也曾认为,由于引力波太过微弱,它无法被探测到.参与LIGO项目的澳大利亚墨尔本大学研究员孙翎说：“我们证明了爱因斯坦的正确,另一方面他也说错了,我们真的探测到了.”
13亿年前,两个恒星量级黑洞撞到了一起.
大约3倍于太阳质量的物质,在不到1秒的时间内,被转化为引力波.这在时空中激荡起的涟漪,以光的速度向外扩散.
黑洞合并的交响曲已经奏响,只是它几乎无声无息,混杂于所有噪声中.
100年前,物理学家爱因斯坦做出了关于引力波的预言.时空告诉物质如何运动,物质引导时空如何弯曲.当物质在时间的“水面”运动,水波便会荡开.但他又说,在所有能想得到的情况下,引力波的辐射都可以被忽略.
有多小呢？当一列引力波向你走来,你便会经历一个忽高忽矮、忽胖忽瘦的神奇过程.但是这样的一个变化幅度,大概为一个氢原子的五百亿分之一那么微小.
不过人类并未因此放弃探测引力波.
实验物理学家约瑟夫·韦伯用共振法寻找引力波,他自己发明了一种铝制圆筒作为探测工具.上世纪60年代末,他宣称引力波撞击了这一探测器.但他的实验结果从未再现,又无法解释,因此未获认同.
又是几年过去,1974年,两位科学家发现了一对脉冲双星.这个星体由两个在近距离轨道里相互缠绕的中子星组成,而且以爱因斯坦预测的速度螺旋式向内靠拢——这是引力波存在的间接证据！神秘的引力波,现出了一个朦胧身影.
可是还不够.20世纪90年代起,在世界各地,一批大型激光干涉引力波探测器开始筹建.它们是人类用来捕捉引力波音符的耳朵.
17年前, LIGO在美国初步建成,它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.2005年至2007年间,LIGO进行过一次升级改造.升级后的LIGO于2009年7月重启,直到2010年10月结束,但未能探测到引力波存在的可靠证据.2010年,LIGO开始对探测器进行升级.2015年9月,灵敏度提升了十倍的升级版LIGO整装再出发.长臂中的激光再次不知疲倦反复奔跑,等待着引力波降临,那个神奇的干涉图纹的出现.
LIGO系统由相距1865英里（约3000公里）的两个完全相同的探测器组成.每个探测器包含由两个长度为4公里的L形真空管.科学家们通过真空管来发射激光束.每束激光到达真空管末端后,会被镜面反射,并沿相反路线返回.在同等条件下,两束激光应该在完全相同的时间抵达源头,由于干涉作用,光线不会抵达光电探测器.而一旦有引力波穿过探测器,根据爱因斯坦100年前的预测,会使两个真空管中的空间出现极其微小的拉伸与压缩,从而破坏了原有的完美平衡,使光线外泄到光电探测器上.
建造LIGO最难,也是LIGO最厉害的地方在于：整个探测器都需要根据地球曲率校正设计建成,尽可能避免来自地表震动的干扰；为减少大气和污染物对激光运行的干扰,还要将其置于真空之中.为确保数据准确,开机后两台探测器必须不间断地记录结果,任何一个小数据都不能遗漏.
有人打了一个比方来形容LIGO所能达到的精度——LIGO能在1公里的长度上找到小于原子核半径一万倍的空间变化.
美国东部时间2015年9月14日5时51分,位于利文斯顿的探测器首先传出撞击声,7毫秒后,汉福德的探测器也传出撞击声.这意味着有引力波传到了地球,并被两个探测器探测到.
LIGO项目组称,基于观测到的信号,此次探测到的引力波是由两个黑洞合并引发的.这两个黑洞的直径都在150公里左右,质量分别是太阳质量的29倍和36倍,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.据推测,两个黑洞的合并发生在13亿年前,它们不断靠近,旋转,并最终合并成一个黑洞.合并过程中产生的引力波经漫长的传播最终抵达地球.
百年来,引力波的身影总是显得“虚无缥缈”,但在这个顶级世界难题的漫长求索中,中国科学家从未放弃过自己的努力.这一次,当我们在多达1004位作者的庞大署名中,发现3个属于中国科学家的名字时,我们还应记取另外一些闪耀在引力波“捕获”之路上的中国科学家的身影.
早在20世纪70年代,中国科学家就开始了引力波研究.
中山大学是国内引力波研究的先行者,该校相关负责人还原了这段中国人向世界难题发起冲击的历史：“1973年,中科院的王祝翔、秦荣先等人前往广州,商讨中科院高能所和中山大学合作引力波符合探测研究的事宜,得到中大及物理系教授陈嘉言等人的大力支持.1976年,国家科委和教育部决定把这项研究定为国家重点研究项目.”
老一辈科学家的探索不久之后就收获了硕果.
1979年7月,第二届格拉斯曼广义相对论国际会议在意大利举行.陈嘉言因为在引力波研究方面的贡献,被聘为会议顾问委员会委员.在会上,陈嘉言作了《北京—广州引力波探测进展》的报告,这是中国的引力波研究第一次被国际社会所认可.
两个月后,中国引力与相对论天体物理学会在广州成立,许多老一辈的著名科学家如钱三强、周培源参加了学会,中科院学部委员北京大学胡宁教授为理事长,陈嘉言当选为副理事长.此后,中国引力波研究的捷报频传.
1980年初,常温共振型引力波探测器完成组装.
1981年6月,常温引力波探测系统开始实验性运行,测出和记录了天线的热噪声,得出了理论灵敏度同实测灵敏度一致的结果.
1982年1月,陈嘉言应邀到西澳大利亚大学访问并作学术报告,受到当地华侨组织欢迎,这也是中国科学界首次到当地访问.
但遗憾也随之而来.1982年4月9日,陈嘉言工作时不幸在真空罐中触电殉职,终年46岁.在他离世后,由于人才队伍接续等问题,中国的引力波研究停滞了十多年.直到2008年,在中科院力学所国家微重力实验室胡文瑞院士的推动下成立了空间引力波探测工作组,引力波的中国研究才再启征程.
令人欣喜的是,尽管有一段空白历史,但在这次至关重要的“捕获”中,中国科学家并未缺位.凭借高精度的数据分析能力,中国科学家“净化”了引力波探测中的干扰信号,与全世界顶尖科学家“协同作战”,共同开启了全新的天文时代.
清华大学信息技术研究院研究员、LSC理事会成员曹军威正是这支“净化之军”的负责人.2004年至2006年,在美国麻省理工学院空间研究中心工作的曹军威便参与了引力波数据计算和分析的工作.在这期间,他时刻关注着LIGO的工作动态.“国内研究团队不应该在这样的顶级研究领域落后.”2006年回国后,曹军威组织创建了清华LIGO工作组,由来自信研院、自动化系、计算机系和工程物理系的教师和学生组成.他们采用先进计算技术提高引力波数据分析的速度和效率,也逐渐得到了国际同行的认可.2009年,清华大学被LIGO科学合作组织（LSC）接受为正式成员,也是目前中国大陆唯一的LSC成员.
“这次发现的确美妙和激动人心,但日常工作中的海量数据分析并不总是令人愉快.”曹军威介绍,LIGO数据的采样频率特别高,达到每秒1.6万次以上,采样信道达上万个,数据量大,需要先进的计算机处理技术做支撑.而对于这样的海量处理,需要的是“坐穿板凳”的沉潜定力.“漫长的时间里,LIGO探测器并没有达到设计精度,是探测不到真正的引力波信号的,可以认为实际大家在处理的全都是噪声,可就是在对这些噪声的一点一滴的处理中不断积累经验,不断提升仪器的精度,才有了今天的探测灵敏度.”曹军威如是说.
郭翔宇是清华计算机系高性能计算所的硕士研究生,也是清华LIGO工作组中一名普通科研人员.他每天的科研任务,就是让引力波数据分析处理的过程更有效率.“每周我们都要与西澳大利亚大学的项目组成员跨洋讨论,一年多来,我在先前的基础上,将探测器GPU的信息处理速度从原有的58倍提升到了120倍以上.”郭翔宇说.
“目前,我国主要有两大引力波探测项目：中科院高能所主导的‘阿里实验计划’和中山大学领衔的‘天琴计划’.一个是在地面上聆听引力波的音符,一个是到太空去捕捉引力波的声响.”2月13日,中国科学院高能物理研究所在其微博上发布了上述内容.这意味着,在积极融入顶尖课题的世界协同作战之余,中国科学家也同时开启了新一轮的本土冲击.
来自科技部的消息显示,致力于“在地面聆听引力波音符”的中科院国家天文台阿里观测站位于西藏阿里狮泉河镇以南海拔5100米的山脊,海拔高、云量少、水汽低、透明度高.它的选址工作在国家天文台相关研究人员的带领下,持续长达10年,已成为天文台选址工作的典范.建成后,其地理上的中纬度范围、对天区的广阔覆盖,有望填补北半球观测宇宙微波背景辐射的空白.
而立志“到太空去捕捉引力波的声响”的“天琴计划”则由中山大学于2015年7月23日牵头启动,主要是以引力波研究为中心,开展空间引力波探测计划任务的预先研究,制定中国空间引力波探测计划的实施方案和路线图,并开展关键技术研究.中山大学相关负责人介绍,该计划主要将分四阶段实施,大约需要20年,投资150亿元.
“探测到引力波只是刚刚开始,并非结束,我们非常需要中国科学家的努力.”LIGO数据分析专家、加州理工学院物理系教授艾伦·魏因施泰对中国科学家的努力充满期待.
曹军威始终认为,作为最前沿、最顶尖的科学探索之一,如引力波探测般的世界顶级课题必定是一次全球智慧的协作与“众包”,而自己的团队正是这个“特大集成研究项目”中的一环.他总结了三个引力波探测的特点：投资规模大、多学科交叉、国际紧密合作.“这样规模的科学探索远超出某个单一学科的范畴,也超出某一个研究小组、一个大学或研究机构,甚至一个国家的能力,必须是物理、天文、机械、激光、精密仪器、信息等方方面面的专家共同参与,在全球范围联合攻关.”
中山大学天文与空间科学研究院院长李淼认为：“引力波的发现,会进一步刺激各国的研究进度,世界各地的引力波研究计划将很快推进,中国本土研究的进展也会加快.”
这进步背后,除了对基础科学投入的重视,还要有一种摒弃功利的、广阔的人类意识.当人类共同走进“引力波”时代,这一激动人心的发现所带给我们的启示,对中国科学界似乎同样极具价值.（本刊综合）※
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参考文献：
1、 大四生罗家伦．发现引力波团队中的中国人 2月1日,农历春节的大年初四．一个来自大洋彼岸的喜讯让还在假期的广州市天河中学沸腾了起来．——美国的科学家们首次直接探测到了引力波,而这个人类重大发现成果的缔造者中,有一个名字.
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3、 倾听来自宇宙的引力波 美国科研人员于今年2月1 1日宣布,激光干涉引力波天文台(LIGO)在2015年9月首次探测到引力波,从而证实了爱因斯坦100年前的预测 引力波的发现有可能使天文学领域发生革命性的变化 爱因斯坦当初认.
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