引力波，让我们“听见”宇宙

    2月11日，美国加州理工学院、麻省理工学院以及“激光干涉引力波天文台(LIGO)”的研究人员宣布他们利用LIGO探测器探测到来自于两个距地球13亿光年的黑洞合并的引力波信号。

    据他们估计，这两个黑洞合并前的质量分别相当于36个与29个太阳质量，合并后的总质量是62个太阳质量，其中相当于3个太阳质量的能量在合并过程中以引力波的形式释放。

    引力波是什么

    根据爱因斯坦的广义相对论，引力起源自质量对空间的扭曲：时空是可以变形的介质。在任何有质量的物体附近，空间都会受到扭曲。但这个扭曲并不总是呆在物体附近，而是可以在宇宙中传播。因为物质运动，或物质体系的质量分布发生变化时，会产生引力波，引力波常被比做石头丢进水中产生的波纹，如同宇宙中的“时空涟漪”（见图）。

    用于本次研究的LIGO主要有两个观测点，位于路易斯安那Livingston Parish的LIGO Livingston观测点，和华盛顿 Hanford的LIGO Hanford观测点。两个观测站均通过两条夹角为90角的长达4千米的束管发射激光，两端各有反射镜面。研究人员表示，激光可在测量发射臂上来回反射，由于频率和波长完全一致，正常情况下这两束激光应完全相同。但如果存在引力波作用，两束激光的波长频率受影响，可导致两束激光的叠加干涉条纹发生变化，便可直接探测引力波存在。

    2015年9月14日抵达地球的引力波信号，就是被刚改造升级的LIGO的两个探测器，以7毫秒的时间差先后捕捉到。此后数月，科学家们仔细核验探测结果，之后才发布该信息。

    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人们的视线之外。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”。

    发现引力波的意义

    华中科技大学物理学院教授叶贤基表示，此次发现开启了引力波天文学的时代。以前天文学只能借由电磁波观测，但很多物质靠电磁波观测是看不到的。测到引力波之后，可以借由引力波观测天体，比如黑洞、暗物质等，研究宇宙早期的结构和演化。

    清华大学博士后胡一鸣介绍，引力波的成功探测，意味着我们从此可以用这种新的手段理解以前无法很清楚地理解的现象，比如超新星爆发具体过程、中子星内部结构等。对于普通人的现实意义，恐怕很少有人能回答得上来。但正如爱因斯坦当年也无法准确地预言广义相对论能给人带来什么用处，而实际上，我们手机里使用的卫星导航，如果缺了广义相对论的修正，根本就无法正常使用。另外，创造互联网的，也并不是某个商业公司，而是为了探索高能物理的欧核中心。面对科学突破时，我们不应该以现实应用评价它的价值。

    “捕捉”引力波的中国力量

    探测引力波是一场全世界科学家的“并肩作战”。早在20世纪70年代，中国科学家就开始了引力波研究。

    1969年，美国马里兰州立大学的约瑟夫·韦伯宣称，他已探测到不排除为引力波的信号。1973年，中国科学院的王祝翔、秦荣先等人开始了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。

    1979年7月，意大利，第二届格拉斯曼广义相对论国际会议。陈嘉言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。随后，中国引力与相对论天体物理学会在广州成立。

    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，这是中国科学界首次到当地访问。

    但1982年4月9日，陈嘉言工作中，不幸在真空罐中触电殉职，终年四十六岁。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。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。中国科学家凭借高精度的数据分析能力，“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。2006年，曹军威组织创建了清华LIGO工作组。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，逐渐得到了国际同行的认可。2009年，清华被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。

    曹军威介绍，LIGO数据的采样频率达到每秒1.6万次以上，数据量大，需要先进的计算机处理海量信息，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，可以认为大家处理的全都是噪声，在对这些噪声的处理中大家不断积累经验，不断提升仪器的精度，才有了今天的探测灵敏度。”

    “你知道吗？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日下午，中国科学院高能物理研究所在其官方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。

    “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。

    （综合《光明日报》《北京晚报》《新京报》等）