2015年2月11日，來自美國加州理工學院、麻省理工學院以及激光干涉儀引力波觀測臺的科學家在華盛頓舉行記者會，"激光干涉儀引力波觀測臺"(LIGO)執(zhí)行主任戴維·賴茨上宣布，國際科學家首次探測到被科學界期待已久的、由愛因斯坦提出的引力波的存在。即愛因斯坦于一個世紀前預測的時空漣漪，這是物理學和天文學界的劃時代發(fā)現(xiàn)。世界著名黑洞專家、英國天文物理學霍金表示，引力波被探測這是世界科學史上重要的一刻，引力波提供了看待宇宙的嶄新方式。連日來，"引力波"這三個字震蕩了全世界，刷爆了許多朋友的微信圈。沉浸在傳統(tǒng)佳節(jié)的中國，由此也掀起了一輪崇尚科學的熱情，激發(fā)了對浩渺宇宙的奇妙想象與對探索宇宙規(guī)律的向往。
為什么發(fā)現(xiàn)引力波如此重要
引力波是指在空間--時間組織中發(fā)生的微小波動，我們每時每刻都感知到重力--也就是引力的存在。所謂引力波是黑洞之類質(zhì)量非常大的天體在劇烈運動時擾動周圍的時空，扭曲的時空波動如波紋一樣向外傳播的現(xiàn)象。設想一下，宇宙如同一張蹦床。如果我們向宇宙中丟入一根羽毛，什么也不會發(fā)生。但是如果我們丟入一個籃球，這個組織就會在重量之下發(fā)生彎曲變形，而且籃球越大，變形的幅度也就越大。用愛因斯坦的廣義相對論說，由于物質(zhì)的存在，空間和時間會發(fā)生彎曲。但是，這種波動和變形并非永遠留在物體附近，而是有可能通過宇宙向外傳播，所以引力可以用時空彎曲來解釋，就像地震產(chǎn)生的地震波，這就是引力波，不同于地震波的是，引力波可以以光速在空蕩蕩的空間中旅行穿梭。
100年前，愛因斯坦在提出廣義相對論時，就預見到了引力波的存在，但同時他又認為引力波本身十分微弱，因此幾乎不可能被發(fā)現(xiàn)。從那時起，全世界的科學家都在試圖與引力波來一場"不期而遇"。愛因斯坦的這一理論被提出后，眾多物理學家都在努力尋找引力波存在的證據(jù)。但是引力波，在從廣義相對論發(fā)明至今的近一百年里，卻一直沒有被直接探測到。然而，受時代所限，早年間的科學家沒有足夠的技術(shù)手段來進行觀測。發(fā)現(xiàn)引力波在科學史意義重大，這有助于探測到宇宙中發(fā)生的爆炸性大事件，比如黑洞融合、中子星事件、超新星爆炸，甚至是138億年前導致宇宙誕生的大爆炸。此外，引力波的出現(xiàn)有可能促使天文學進入新的時代，它攜帶著不同于光和電磁輻射等方式傳遞過來的有關遙遠天體的信息。引力波是由運動中的物質(zhì)創(chuàng)造的。但是，引力波是自然界四種基本的相互作用，即萬有引力作用、電磁力、強相互作用和弱相互作用最弱的，因此它產(chǎn)生的波動極其微弱。物理學家認為，其振幅之小至多相當于一個質(zhì)子直徑的千分之一。如此小力量的波動只能由處在高速運動中的龐大體系來引發(fā)，比如處在軌道上的即將合二為一的兩個黑洞。由于這樣的體系十分罕見，與我們的距離要以光年計算，所以對引力波的搜尋一直瞄準的是來自宇宙深處的能量最強大的天體系統(tǒng)所產(chǎn)生的微小影響。
LIGO如何發(fā)現(xiàn)引力波
"LIGO"是由美國科學基金贊助、加州理工學院與麻省理工學院牽頭主持、全球950位科學家參與。LIGO即"激光干涉儀引力波觀測臺"，這是由兩個孿生探測器組成，這兩個引力波探測器分別位于美國路易斯安那州利文斯頓和華盛頓州漢福德，之所以要相隔3000公里修建兩套一樣的觀測裝置，是為了便于科學家比對引力波的方向以及時間節(jié)點。它們的任務是搜集通過引力波傳送到地球的微小時空運動。每個探測器都有長達4公里的呈L形的測量臂。如果一股引力波通過探測系統(tǒng)，它通過激光束的距離會發(fā)生微小的變化。如果LIGO捕捉到了這種差異，便表明探測到了引力波。由于具備兩個孿生裝置，LIGO可以最大限度地排除地面干擾，比如交通或地震產(chǎn)生的干擾。引力波探測器世界各地都有，包括位于意大利的"先進的處女座"引力波探測器、德國的GEO引力波探測器和日本的TAMA引力波探測器等。在這之前，難道沒有發(fā)現(xiàn)過引力波嗎？LIGO首次觀測引力波是在上世紀70年代，其研究成果刊發(fā)于《物理評論快報》。2014年3月，美國哈佛--史密森天體物理學中心的物理學家就曾宣布首次探測到來自宇宙大爆炸的引力波。然而，時隔不久對這一發(fā)現(xiàn)的質(zhì)疑和否認之聲便紛紛出現(xiàn)?？茖W研究人員通過歐洲航天局"普朗克"號探測器和位于南極的BICEP2望遠鏡的數(shù)據(jù)進行整體分析后證實，并沒有結(jié)論性證據(jù)支持這一發(fā)現(xiàn)。
改變這一游戲規(guī)則的理論認為，質(zhì)量使時空彎曲，就像把一個保齡球放到一個蹦床上的效果。蹦床表面上的其他物體會"跌"向中心--這是對引力的一個比喻，時空就是那個蹦床。當這些物體加速時，它們沿著彎曲的時空構(gòu)造以光速發(fā)出漣漪--物體質(zhì)量越大，引力波越大，也越容易被發(fā)現(xiàn)。此時，如果用高速攝影機觀測并回放慢鏡頭，會發(fā)現(xiàn)這一擴散過程是以波動的形式進行的。就好像平靜的水面上投一枚石子，會產(chǎn)生一圈圈的漣漪。這就是引力波。引力波不與物質(zhì)相互作用，能夠暢通無阻地在宇宙中穿梭。最強的波產(chǎn)生于宇宙中變化最劇烈的過程--兩個黑洞的碰撞，大質(zhì)量恒星爆炸，或者約138億年前宇宙的誕生。國際研究人員激動人心的宣布，當兩個黑洞于約13億年前碰撞，兩個巨大質(zhì)量天體結(jié)合所傳送出的擾動于2015年9月14日抵達地球，被地球上的精密儀器偵測到。首次探測到引力波進一步佐證了解釋引力與時空現(xiàn)象的相對論的正確性，有望實現(xiàn)對光及其他電磁波探測不到的天體以及宇宙誕生之初形態(tài)的觀測研究。這是一項諾貝爾獎級別的重大發(fā)現(xiàn)，標志著人類向破解宇宙誕生奧秘前進了一大步。
引力波打開觀察宇宙新視角
引力波被探測將是科學領域的一個里程碑，它將開辟一種全新的觀察宇宙的方式，并解開有關宇宙早期以及黑洞、中子星等神秘物體的秘密。英國著名物理學家霍金指出，引力波是宇宙大災變留下的痕跡，它的發(fā)現(xiàn)首次證明了雙黑洞系統(tǒng)的存在，也是首次觀察到黑洞融合。探測引力波的能力有可能對天文學產(chǎn)生革命性的影響，其重要意義絕不亞于希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)。為什么探測到引力波非常重要？因為找到引力波的證據(jù)將結(jié)束對愛因斯坦理論的一個關鍵預測的探尋，愛因斯坦的理論改變了人們對于時空等概念的基本認識。假如引力波能夠被探測到，這將為天文學打開一片激動人心的新天地--能夠根據(jù)遙遠的星體、星系和黑洞所產(chǎn)生的波來對它們進行測量。最難探測到的所謂的原始引力波將推進另一個重要的宇宙學理論，即宇宙誕生之初的"膨脹"或者指數(shù)式擴張。愛因斯坦理論認為，原始波至今仍在宇宙中回響，盡管非常微弱。如果能夠找到它們，我們就能得知膨脹時期的能量規(guī)模，從而更好地認識大爆炸本身。對于"為什么它們?nèi)绱穗y找"這個問題，國際研究專家表示，連愛因斯坦本人都懷疑引力波是否能被找到，因為它們實在太微小了。
發(fā)現(xiàn)引力波的更為重要的意義，不僅標志著愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最后一塊缺失的"拼圖"被填補，更為重要的是標志著宇宙研究新時代的開始：引力波天文學的到來。引力波天文學與普通天文學存在本質(zhì)上的不同。因為基于光的天文學無法在遙遠的距離之外如此輕松地觀察到成對的脈沖星或黑洞。目前，天文學家依賴于計算機模型來預測碰撞發(fā)生的頻率，但是LIGO將能夠告訴我們這些模型是否正確。不過這僅僅是個開端。歐洲規(guī)模相仿的引力波觀測臺(它正在進行與LIGO類似的升級)以及日本的"神樂"探測計劃將提供另外兩個觀測項目，從而組成一個全球引力波網(wǎng)絡。有關基于太空的探測裝置的計劃正在籌備之中，該探測裝置可以"聽到"LIGO和其他位于地球上的觀測臺所無法探測到的頻率--包括那些可能是宇宙剛剛誕生時發(fā)出的頻率。但是這些都將在未來才能成為現(xiàn)實，而今天我們可以盡情享受最初的探測，因為這可能會揭示星系、恒星和引力的演變。最終，我們或許可以觀測到來自宇宙大爆炸的引力波，這將讓我們超越目前對于物理學理解的極限。
人類每一次重大的自然發(fā)現(xiàn)、科學突破和觀測新工具的誕生，都是認知世界的擴展，對世界了解深度和廣度的開拓。就像科學家所描述的那樣：500多年前人們用自己的遠洋冒險發(fā)現(xiàn)新大陸，400多年前光學望遠鏡發(fā)明后，人類發(fā)現(xiàn)自己生活在太陽系，隨后的電磁波、中微子信號，讓人類的視野能夠脫離銀河系乃至到達宇宙邊緣。今天，引力波的發(fā)現(xiàn)，則讓人類不僅能看宇宙，也能聽宇宙，"打開了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口"。而伴隨著每一次新的視界的打開，人類的世界觀、宇宙觀得以更新。
基礎科學研究具有革命性意義
這一次，通過LIGO（激光干涉引力波天文臺），人類首次直接探測到引力波，從而"發(fā)現(xiàn)和記錄了一個關于大自然的、迄今未被發(fā)現(xiàn)的基本事實"，驗證了"愛因斯坦是正確的"。選擇方向，設計實驗方案，長達幾十年的"等待"……不得不說，這是一次科學眼光和科學耐心的勝利。也讓人們再一次見識到科學研究尤其是基礎科學中時常演繹的悖論："它是辛苦的、嚴謹?shù)暮途徛模质钦鸷承缘?、革命性的和催化性的?引力波的發(fā)現(xiàn)猶如一場科學的心跳，源于一個來自宇宙深處的、久遠而微弱的信號，被這個藍色星球上的人們捕捉到了。有人設想如果愛因斯坦聽到廣義相對論發(fā)布100年后引力波被探測到，也會為此欣喜若狂，他會和參與這一歷史性發(fā)現(xiàn)的科學家們逐一握手，向他們的堅持和耐心表達欽佩，并且愉快地收回他的那句預言："這些數(shù)值是如此微小，它們不會對任何的東西產(chǎn)生顯著的作用，沒人能夠去測量它們。"
在LIGO科學合作組織宣布成功消息后，麻省理工學院校長隨后發(fā)表致全校的信，分享這一重大發(fā)現(xiàn)的喜悅。他在信中強調(diào)基礎科學的力量："基礎科學（研究）是艱苦的、嚴謹而且緩慢的；但同時它也是令人激動的、具有革命性以及催化作用的。沒有基礎課學，那么即使是最好的猜想也永遠無法改進，所謂的"創(chuàng)新"也只能是做無用功。隨著基礎科學的進步，社會也在進步。"透過"引力波"，人們對"基礎科學艱辛而美麗"有了真切的認知，科學工作者們對如何推動創(chuàng)新有了深切的思考。
引力波的存在性，在廣義相對論提出之后，在上個世紀40年代就曾受到不少物理學家的質(zhì)疑，大部分的物理學家認為，引力波如此微弱，是不可能探測到的。第一個對直接探測引力波作為偉大嘗試的人是約瑟夫·韋伯，早在上個世紀50年代，他第一個充滿遠見地認識到，探測引力波不是沒有可能。從1957年到1959年，韋伯全身心投入在引力波探測方案的設計中。最終，韋伯選擇了一根長2m、半徑0.5m、重約1噸的圓柱形鋁棒，其側(cè)面指向引力波到來的方向，被業(yè)內(nèi)稱為共振棒探測器，由此開創(chuàng)了引力波實驗科學的先河，在他之后，很多年輕又富有才華的物理學家投身于引力波實驗科學中。幾十年的努力卻沒有探尋到結(jié)果,的確很讓人絕望。據(jù)說LIGO科學合作組織即引力波天文臺項目的領頭人，2012年他曾在北京大學做學術(shù)報告時發(fā)表感慨："有時候我在床上躺在老婆旁邊，就在想，過去的20多年我花了國家?guī)资畠|美元，卻沒有測到引力波。為什么我還好好地活在這里?真應該自殺去!"二十多年的努力卻沒有探尋到結(jié)果,的確很讓人絕望。連對引力波的探索具有極大興趣、也是世界上最知名的科學家斯蒂芬·霍金，也一度對探尋無果感到沮喪，曾經(jīng)還聲稱其實宇宙中并不存在黑洞，我們應該稱黑洞為"灰洞"。
不過，科學家們始終堅持不懈，是因為他們對科學的信念和堅持，比起黑洞相撞激起的漣漪，更具有穿越時空的力量。1974年，普林斯頓大學的拉塞爾·赫爾斯教授在他博士最后一年寫論文的時段，跑到康奈爾大學的阿雷西博天文臺做訪問學者，其間與約瑟夫·泰勒教授合作做了大量關于脈沖星的研究，并在其中發(fā)現(xiàn)了脈沖雙星PSRB1913+16。通過對其長期的觀測和深入研究，他們發(fā)現(xiàn)雙星之間的距離在以每天7.42mm左右的速度縮短，且周期在緩慢地衰減，說明能量在耗散。而能量的耗散，與這個雙星系統(tǒng)軌道周期的變化與引力波輻射損耗的預言相吻合，從而間接證明了引力波的存在，兩人也因此獲得1993年的諾貝爾物理學獎。
這一次的引力波探測成果，更像是兩代科學家穿越時空的聯(lián)手，為人類開啟了一場新的探索旅程，而接收和傳承這種來自人類自身的"引力波"，對只有30多億年的地球生命史和幾百萬年的人類史，更具有生命和夢想綿延不絕的實際意義。不禁使人想起馬克思的至理名言："在科學上沒有平坦的大道，只有不畏勞苦沿著陡峭山路攀登的人，才有希望達到光輝的頂點。"確實，追求真理的科學之路是條崎嶇之路，是條充滿艱難險阻、披荊斬棘之路。在步入科學的道路上，總是充滿了感性與理性的斗爭，謬論與真理的較量，乃至于自身惰性的束縛、病痛的折磨、世俗的妒忌與阻撓。在這條道路上總伴隨著興趣、好奇心、懷疑和叛逆精神、冒險、堅韌，經(jīng)歷著心甘情愿的付出與忍耐，艱苦和孤獨。它不僅要有的淵博的學識，崇高的"愛智"精神，更要有堅忍不拔的意志品質(zhì)。正是如此，人類用自己的智慧與堅韌，一次又一次戰(zhàn)勝自我，征服自然，一層一層地剝開宇宙萬物本質(zhì)的外殼，最終進入到自然奧妙的核心，獲取了巨大的科學成功，產(chǎn)生了一位又一位科學巨匠。
中國引力波探測奮起直追
美國"激光干涉引力波天文臺（LIGO）"第一次直接探測到引力波，證實了愛因斯坦引力理論的最后一項預言，震動世界。引力波探測為人類開啟了宇宙觀測的全新窗口，人們都在關心和期待中國科學家將在其中如何作為。LIGO的發(fā)現(xiàn)讓我國科學家對中國引力波研究充滿期待，雖然中國目前在國際引力波探測領域，中國的影響幾乎為零。希望借此機會更大推動國內(nèi)引力波研究的發(fā)展。中國作為一個大國，這個領域不能是空白，必須抓緊，創(chuàng)新而不是跟蹤，作出我們應有的貢獻。目前，原初引力波仍未被測出，可見探索的領域和國際合作的空間依然很大。
實際上，早在上世紀70年代，中國科學家就開始了引力波研究，但由于種種原因停滯了十幾年，造成了人才斷層。直到2008年，在中科院力學所國家微重力實驗室胡文瑞院士的推動下，中國的引力波研究才再度開啟。據(jù)中科院高能物理研究所所長王貽芳院士介紹，目前中國的引力波研究主要有兩個方向和建設兩大引力波探測項目：一個是由中科院高能所主導的"阿里實驗計劃"，主要是目標是在地面探測原初引力波；另一個是由中山大學領銜的"天琴計劃"，是到太空捕捉引力波?？梢哉f這是兩個完全不同的研究方向和科學目標。
由于原初引力波太微弱，所以要選各種干擾盡量少的區(qū)域。目前，科學家在全球共選出了４個最佳觀測點，南半球是南極和智利阿塔卡馬沙漠，而北半球則在格陵蘭島和我國西藏阿里。據(jù)介紹，中科院國家天文臺在阿里建設的觀測站位于阿里地區(qū)獅泉河鎮(zhèn)以南約20公里處，海拔5100米的山脊。這里海拔高、云量少、水汽低、透明度高，同時具備望遠鏡建設與運行基礎的臺址，提供了北半球最好的觀測臺址。阿塔卡馬沙漠和阿里都處于中緯度，掃過的天區(qū)面積比高緯度地區(qū)要大很多，未來阿里將成為北半球天區(qū)第一個地面觀測點，開啟北天區(qū)原初引力波觀測的新窗口，與南半球相呼應。由于國內(nèi)引力波研究基礎薄弱，所以阿里計劃將通過國際合作來實施，引進國際團隊，同時中國也參與國際在南美的實驗，以此快速提升我們自己的研究能力，加之阿里項目造價小，周期短，可望約５年內(nèi)出成果。據(jù)透露，目前美國哈佛大學、麻省理工學院、芝加哥大學等都表示出積極合作意愿，中美有關方面已經(jīng)簽署了相關合作協(xié)議。
"天琴計劃"主要將分四階段實施：第一階段完成月球／衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)、大型激光陀螺儀等天琴計劃地面輔助設施；第二階段完成無拖曳控制、星載激光干涉儀等關鍵技術(shù)驗證，以及空間等效原理實驗檢驗；第三階段完成高精度慣性傳感、星間激光測距等關鍵技術(shù)驗證，以及全球重力場測量；第四階段完成所有空間引力波探測所需的關鍵技術(shù)，發(fā)射三顆地球高軌衛(wèi)星進行引力波探測。據(jù)了解，完成全部四個子計劃，大約需要20年的時間，投資大約150億元人民幣。目前，"天琴計劃"的部分地面基礎設施已經(jīng)在中山大學珠海校區(qū)啟動，正在建造的有山洞超靜實驗室和激光測距地面臺站。
來自13億年前遙遠宇宙的引力波細微到難以捕捉，能用長達40年的時間去驗證100年前的科學理論，LIGO的發(fā)現(xiàn)證明了引力波的存在，不得不贊嘆人類的偉大。從中國的發(fā)展戰(zhàn)略來講，引力波這一探索宇宙的全新窗口，正是我國發(fā)展基礎科學的重要機遇期。中國科學家可以滿懷信心地去尋找不同波段的引力波，就像不同波段的電磁波譜一樣，如果能夠探測到原初引力波將是下一個引力波領域、宇宙學、高能物理的重大突破。這將不僅是中國對物理界和天文界的巨大貢獻，也是對人類科學發(fā)展的巨大貢獻。
