愛因斯坦又說對了！人類首次探測到引力波

美國科學家2月11日宣布，他們探測到引力波的存在。引力波是愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最后一塊缺失的“拼圖”。

美國加州理工學院、麻省理工學院以及“激光干涉引力波天文臺（LIGO）”的研究人員當天在華盛頓舉行記者會，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。

據他們估計，這兩個黑洞合并前的質量分別相當于36個與29個太陽質量，合并后的總質量是62個太陽質量，其中相當于3個太陽質量的能量在合并過程中以引力波的形式釋放。

愛因斯坦廣義相對論中有一個重要預言，如果大質量天體發生碰撞、超新星爆發等極端宇宙事件會產生強大的引力波。這是一種時空漣漪，就像波一樣傳遞開來，數十年內科學家一直在尋找引力波，但都沒有發現。2015年9月，美國亞利桑那州立大學有了新的發現，科學家勞倫斯·克勞斯指出激光干涉引力波天文臺發現了引力波，如果這個發現屬實，那么將是一次轟動性的科學事件。激光干涉引力波天文臺位于美國，從1999年建成開始，就一直在尋找引力波，近年來完成了新一輪的升級改造，目的就是發現引力波。

對于激光干涉引力波天文臺的發現，在此之前也有科學家質疑這個發現成果，以至于有傳言指出這個引力波信號可能是虛假信號。由于引力波非常微弱，探測引力波需要較高的精度，因此一個微小的誤差都會造成假信號的出現，讓引力波信號失真。

引力波是什么？

激光干涉引力波天文臺的發現再次讓引力波成為公眾焦點。引力波的理論提出很早，基礎理論來自廣義相對論中的引力輻射理論，相對論中預言了引力波會產生于強引力場的天體事件。有趣的是宇宙中的強引力場天體非常之多，比如超大質量黑洞合并，脈沖星自轉、超新星爆發等都是引力波的強有力來源。引力波與電磁波天文學又有不同的地方，比如引力波無法通過電磁輻射直接觀測，引力波與宇宙中物質的相互作用是非常微弱的，可以傳播至很遠的宇宙空間。

引力波的探測目前仍然存在困難，科學家認為引力波盡管有間接的證據顯示其存在，但直接證據缺乏。在過去十多年內，科學家通過毫秒級脈沖星信號的篩查來發現引力波，但是也沒有結果。對此科學家也提出了幾種可能性的解釋，比如引力波或位于高頻段上，中子星合并產生的引力波需要利用靈敏度更高的探測器進行觀測。這也是為什么激光干涉引力波天文臺每隔一段時間要升級的原因，如果在這個頻段沒有新的發現，就要繼續升級。

有哪些裝置可探測引力波？

目前比較著名的要數激光干涉引力波天文臺，1999年建成的時候，造價接近4億美元，在美國路易斯安那州列文斯頓和華盛頓州的哈福德之間有兩個探測器，呈現L型排列，利用邁克耳遜干涉儀原理進行測量引力波。L型測量臂很長，達到4公里，兩個測量臂垂直排列，兩端各有反射鏡面。科學家認為激光在測量反射臂上來回反射，如果干涉條紋發生了變化，就說明探測到了引力波事件。2005年之后，激光干涉引力波天文臺再次進行了升級，使用更高功率的激光器和避震措施，降低誤差。

在意大利的比薩附近也有類似的裝置，一個雙臂探測器長度達到3公里，是歐洲測量引力波的關鍵設備。德國漢諾威也有引力波測量裝置，兩個測量臂長度為600米。歐洲前不久還發射了LISA探路者航天器，定點在拉格朗日點L1上，距離地球大約150萬公里。德國達姆施塔特是LISA探路者航天器的控制中心，探測器主要任務目的就是尋找宇宙中的引力波，內部帶有2公斤的金鉑合金立方體，數量為兩個，為垂直放置，如果兩個立方體位置發生變化，就證明探測到了引力波的存在。不過這個任務僅僅是歐洲空間局引力波空間探測計劃的一部分，側重于演示和驗證。

發現引力波意味著什么？

引力波的發現意義重大，從科學意義上看，引力波可以直接與宇宙大爆炸連接。廣義相對論中預言的引力波也可以產生于宇宙大爆炸中，這就是說大爆炸之初的引力波在137億年后的今天仍然可以探測到。一旦我們發現了宇宙大爆炸時期的引力波，就可以揭開宇宙的各種謎團，甚至了解宇宙的開端和運行機制。因此也有這樣的說法，如果引力波的發現被確定，那么幾乎可以肯定會入選諾貝爾獎。1993年的諾貝爾獎就是授予了間接發現引力波存在的科學家，當時兩位科學家泰勒和赫爾斯對脈沖星雙星系統PSR1913+16進行研究，發現其系統內有兩顆中子星，它們快速圍繞對方公轉，最終發現了引力波間接證據。

2014年3月，BICEP2望遠鏡科學家稱發現了宇宙大爆炸時期產生的原初引力波，這個發現瞬間轟動了世界，科學家在宇宙微波背景輻射中探測到B模偏振，認為這是原初引力波的證據。這個發現不僅意味著我們探測到引力波，而且還發現大爆炸時期的引力波，更令人驚訝的是根據這個理論我們甚至可以推出平行宇宙的存在。不過，很快BICEP2望遠鏡的發現成果被否定，科學家驗證后發現是銀河系的塵埃對觀測形成干擾，這個發現是錯誤的。

由此也可以看出，引力波對于現代天文學而言是多么重要，一旦發現引力波直接證據，我們就能夠通過這個途徑觀測并研究它，進而揭開宇宙深層奧秘。

作者：謝頓文章來源于蝌蚪五線譜