人类首次直接探测到引力波

爱因斯坦百年前预测获证实很有可能引发天文学革命

　　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”。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。

　　我们能够“听见”宇宙了

　　“女士们、先生们，我们已经探测到引力波，我们找到它了。”美国“激光干涉引力波天文台”（LIGO）执行主任戴维·赖茨当天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，持续时间短暂得不到1秒，这正是由引力波转化成的宇宙之声。当天召开的记者会上，LIGO科学家现场播放了来自宇宙的“声音”。

　　“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，”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·冈萨雷斯在记者会上介绍。

　　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’。”他兴奋地重复道。参与记者会的还有麻省理工学院的研究人员及资助研究的美国国家科学基金会人员。

　　引力波信号由黑洞合并产生

　　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。

　　开启观测宇宙的新窗口

　　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11日说，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。

　　LIGO项目组发言人加布里埃拉·冈萨雷斯说：“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。”

　　■专家讲述

　　“爱因斯坦一定也会吓一跳”

　　“我们探测到了引力波。我们做到了。”当地时间11日清晨，当LIGO执行主任、加州理工学院教授戴维·赖茨在华盛顿宣布这一消息时，挤在美国加州理工学院天文学与天体物理学中心参加同步新闻发布会的上百名科研人员沸腾了。

　　长久的欢呼、掌声和泪水……难怪科研人员这么激动，依照科学家的说法，人类探测到引力波，如同一个失聪的人突然获得听觉，从此获得感知世界的新能力。这一天，距爱因斯坦预测引力波存在已有百年。

　　“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对记者说：“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。”

　　■焦点科普

　　捕捉引力波为啥这么难？

　　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4千米长，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。

　　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。

　　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。

　　探测到引力波有多重要？

　　包括中国科学家在内的多国科学家认为，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。”

　　南非夸祖鲁-纳塔尔大学的引力波研究专家马寅哲说，天文学的发现几百年以来主要靠电磁光谱的测量，射电、光学、红外、X射线等天文观测手段均是在收集光，靠“看”观测宇宙。引力波的发现则将从“听”这一完全不同的角度进行天文观测，引力波天文学这一学科的大门彻底被打开。引力波将成为检验爱因斯坦相对论、探测黑洞质量、测量宇宙距离等基本问题的新窗口。

　　参与该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”。

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