引力波，感受時空震顫的漣漪
來源：中國科學報 2016-3-11 張晶晶
100年前愛因斯坦廣義相對論預言了引力波的存在，經(jīng)過半個世紀的搜尋，這一宇宙學的“世紀懸案”于2016年2月11日有了結果。由美國麻省理工學院、加州理工學院以及美國國家科學基金在華盛頓特區(qū)發(fā)布：人類首次直接探測到引力波！
2月27日，由未來論壇主辦的“解密：引力波——時空震顫的漣漪”在清華大學大禮堂舉行。加州理工學院物理學教授、美國物理學會會士、LIGO科學聯(lián)盟核心成員陳雁北，清華大學信息技術研究院研究員曹軍威，北京師范大學天文系教授朱宗宏，清華大學天體物理研究所所長毛淑德，中國科學院高能物理研究所研究員張雙南，中國科學院物理所研究員丁洪聯(lián)袂奉獻了一場科學盛宴。
從被預言到被直接探測，人類對引力波的探索已經(jīng)歷經(jīng)百年。在主題演講中，陳雁北系統(tǒng)地介紹了物理學界是如何利用LIGO促成這一劃時代科學發(fā)現(xiàn)的。
他淺顯易懂地說明了引力波探測裝置的工作原理：用激光干涉的方法來測量。激光打到一個分束鏡，分成兩束，沿著很長的距離傳播以后，在鏡子上分別反射，打回到分束鏡上。如果兩束的臂長一樣，這兩束打回來的光會在分束鏡上合成一束從入射口回去，另外一口是沒有光的。但是，如果有引力波，鏡子的位置改變，產(chǎn)生的位移就會導致兩束返回的光在分束鏡上的相位有所變化，導致在沒有光的口會產(chǎn)生信號光。把信號光檢測出來以后，就可以探測出引力波。這種方法的好處是可以使臂長變得很長，越長就越可以放大引力波導致的鏡子的運動。
“利用這個裝置，在2015年9月14日，我們用這兩個探測器分別發(fā)現(xiàn)了兩個時間為0.2秒的引力波事件。這個圖是將兩個信號以0.7毫秒的時延錯位以后，發(fā)現(xiàn)它們的波形也在很大程度上吻合。”
眾多頂尖科學家聚集在荒野郊區(qū)，經(jīng)年累月地守候地外傳來的信息，這是獨屬于宇宙與科學家的浪漫。陳雁北表示，自己雖然是研究引力波的，但親眼看到這個信號的時候，也感覺非常不可思議。他說：“如果回顧一下這個事件，是兩個距離地球13億年黑洞合并的信息傳播到了地球，整個信號的長度只有0.2秒。今天的引力波探測只是一個起點，在未來，我們會有多波段的引力波探測，說明今天的探測不但是廣義相對論和黑洞的直接驗證，也可以說是新的天文學觀測手段。”
在歐美對引力波的探測已經(jīng)卓有成效之時，其他國家的嘗試也不遑多讓。LIGO團隊在回答為什么要做引力波探測這么“辛苦而艱難”的問題時曾道：“這就是科學，我們不挑容易的事做。”如今，各國的科學家也有著相同的決心。
早在2009年，清華大學就被LIGO科學合作組（LSC）接受為正式成員，曹軍威正是清華大學LIGO工作組負責人。在本次講座上，曹軍威透露，科學探索的需求一直是計算機技術發(fā)展的驅(qū)動力之一。LIGO項目對數(shù)據(jù)處理要求極高，對計算技術挑戰(zhàn)很大，清華參與LIGO項目也是希望掌握第一手的應用需求。“我們非常自豪有機會來見證這樣一個事件。多年以后，面對浩瀚星海，遠航的星艦文明將會回想起2016年2月11日，人類公開宣布首次探測到引力波信號的那個遙遠夜晚。”曹軍威表示。
而在美國科學家宣布首次探測到引力波之后，曾榮獲諾貝爾物理學獎的東京大學宇宙線研究所所長梶田隆章隨后就表示將在日本使用已基本完成的引力波望遠鏡“神樂（KAGRA）”，于2017年啟動對引力波的正式探測。在本次理解未來講座上，北京師范大學天文系教授朱宗宏也介紹了中國和其他國家在引力波探測方面的最新進展。“1865年麥克斯韋發(fā)現(xiàn)了電磁波，100多年以來人類的一切都變化了。1916年愛因斯坦預言了引力波存在，100年后人類探測到了引力波。它最終將會怎樣影響科學和人類的生活，我們還不清楚。其實引力波的探測同時也是一個天文項目，可以用它作為觀測宇宙的全新的窗口，我們每次用新的波段去觀察宇宙的時候，都會對天文學有不一樣的驚喜發(fā)現(xiàn)。”
陳雁北介紹說，除了地面引力波探測，未來還會進行多波段引力波天文學的研究，今天的引力波探測不但是廣義相對論和黑洞的直接驗證，也可以說是新的天文學觀測手段。“比如歐洲的愛因斯坦探測器是第三代的引力波探測器，可以覆蓋1赫茲~10千赫茲。空間引力波探測可以探測到0.1毫茲~1赫茲之間的引力波，可以觀測到星系中心超大質(zhì)量黑洞碰撞的過程。這對于研究星系的形成演化是非常重要的，空間探測引力波是研究宇宙的另外一個重要方式。還有一種是用脈沖星定時的方式。脈沖星是一些中子星會發(fā)射出非常穩(wěn)定的電磁信號，如果到達地球的時候有微小的偏差有可能是因為引力波導致的，它也可以探測超大質(zhì)量黑洞并合的過程。最后就是在微波背景上測量宇宙大爆炸時的引力波背景形成的遺跡。”
在本次講座上，共有來自全國各地的千余名觀眾熱心參與。他們中有專業(yè)人士，也有熱愛科學的普通人。“理解未來”系列講座由未來論壇傾力打造，是面向社會大眾開放的高質(zhì)量月度科普講座，目標是成為中國科學傳播的最重要平臺之一。
編輯：苑苑
