科学家宣布发现引力波

位于美国路易斯安那州利文斯顿市的一处引力波探测器实验室。新华社照片

    据新华社电　美国科学家11日宣布第一次直接探测到引力波的存在。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。

    “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。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。

    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。

    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。

    克劳斯11日对新华社记者说，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。引力波天文学将成为21世纪的天文学。

    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。”

    名词解释

    引力波

    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。

    爱因斯坦错了

    100年前，爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在。但爱因斯坦也曾认为，由于引力波太过微弱，它无法被探测到。参与LIGO项目的墨尔本大学研究人员孙翎告诉记者，这次“我们既证明了他的正确，另一方面他也说错了，我们真的探测到了”。

    相关计划去年启动中美目标有所不同

    中国“天琴”欲四步探测引力波

    据《环球时报》报道美国国家科学基金会宣布人类首次直接探测到引力波，印证了爱因斯坦100年前的预言。与此同时，中国本土引力波探测工程“天琴计划”也进入公众视线。13日在接受《环球时报》记者采访时，中国科学院国家天文台研究员苟利军用了个比喻解释引力波。他说，如果把时空比喻成大海，那么天体就像是海中的生物。生物晃一下尾巴，就会产生向外传播的水波，天体如果产生对时空的扰动，也会产生一种波，这就是引力波。

    在中国，中山大学珠海校区的凤凰山下将建立一万多平方米的超静实验室，山上建立一个天文观测站。这是中国本土引力波探测工程“天琴计划”的一部分。中山大学天文空间科学研究院院长李淼13日告诉《环球时报》记者，“天琴计划”于2015年7月正式启动，部分关键技术研究已经有具体进展，目前正在立项当中。此前媒体所称“‘天琴计划’即将获得国家立项”的说法不准确。他说，整个“天琴计划”的投资很难估计，用时大概需要15-20年。

    据李淼介绍，“天琴计划”的具体目标主要分四步：第一步，开展地球与月亮之间的测距，以期获得关键性的月地测距技术。这项工作虽然美国已经做过，但对于中国而言还是首次。第二步，发射一颗卫星来验证爱因斯坦广义相对论的重要假说“等效原理”以及广义相对论的其他细节。第三步，发射两颗卫星测量地球重力场的分布，这也与我国矿藏、水源等资源息息相关，并为第四步做技术准备。最后一步是发射三颗高轨卫星进行引力波探测。

    有人担心，美国方面的发现是否意味中国在这一领域的研究“晚了一步”，从而导致研究意义大减？李淼说，此次美国发现引力波对“天琴计划”并无太大影响。LIGO此次发现引力波是孤立事件，仍需其他引力波实验支持。中美两国探测的源完全不一样，科研目标也有所区别。中方的测距与美方差别很大，中方的测距（两颗卫星之间的距离）是十几万公里，远大于美国。苟利军也持同样看法。他说，引力波的研究是一项长期的任务，举个简单的例子，假如美国制造了一架天文望远镜，发现了一颗天体，那我们是不是只靠美国的望远镜来观测宇宙就可以了？显然不是，一项研究需要各个国家的共同努力来进行。

    李淼承认，中方目前在引力波研究方面与美国等国家还有一定差距。“第一是研究起步较晚（美国已经研究20多年），第二是人才储备不足。针对这种情况，中山大学会与一些著名研究机构加大人才交流与技术合作，促进中国在引力波研究方面的发展，在人才储备上加大力度，尽量缩小与发达国家在引力波研究方面的差距。”他预测，引力波实验日后会助力形成引力波天文学，研究引力波的天文机构将越来越多。中方日后一定会在此领域加大研究力度。

    投资动辄数十亿、耗时多年的基础学科研究，到底会给我们的生活带来哪些改变？中国科学院高能物理研究所研究员曹俊对《环球时报》记者说，基础研究关乎我们对世界的理解，只有发现世界运行的规律，才能慢慢转化成应用研究。基础研究的成果可能需要50年到100年才能应用到老百姓的生活中，但如果不去研究，科学是无法进步的。2012年，曹俊负责的大亚湾中微子实验发现了中微子的第三种震荡模式，这个成果入选当年美国《科学》杂志评选的世界十大科学突破。

    苟利军给记者举例道：“广义相对论刚提出来的时候，谁也不知道它有什么用，但现在日常生活中，它的运用非常广泛，最直接的例子就是导航。根据广义相对论，地面和卫星所处高度的时间流逝是不一样的，如果没有把这个误差计入，那么我们就会被导航到离目的地很远的另一个地方。再比如，互联网是为了解决欧洲大型粒子对撞机分享数据时的传输问题，才被科学家们发明出来的，并不直接出自应用领域。”李淼告诉《环球时报》记者，引力波的研究对测量地球矿藏及水资源分布等有非常重要的科学意义，此外还能极大地推动激光物理和航天技术等发展。“中国要做强国，在基础物理和航天方面一定要加大发展力度。”李淼这样表示。

    引力波之问

    引力波是一种声音或乐器？

    人类探测到引力波，正如一个失聪的人突然获得听觉，从此获得感知世界的全新方式。“我们愿意把它称为一种声音，但引力波并不是声音，”加州理工学院物理系教授魏因施泰解释说，声音以音速在空气中传播，而引力波则是以光速传播，可以在真空中传播。两者都是一种震动，但引力波是一种全新的震动方式。LIGO天文台将探测器连接到扩音器，从而“听到”引力波的声音。LIGO科学合作组织的研究成员陈雁北则指出，引力波也是一种机械振动，如同用非常大的能量，在宇宙中敲响了一面蒙皮紧绷的鼓。从这个角度来说，中国“天琴计划”这个名字“太棒了，比喻得非常恰当”。

    当引力波向你袭来会怎样？

    陈雁北教授说，引力波携带的能量很大，但实际对物质产生的作用却十分微弱，这也是探测它很困难的原因。如果把引力波在地面附近的能量流单位时间和面积算一算，就会发现它不能挪动电荷，所以作用很微弱。“如果把时空类比为弹簧，那么一定是一个很硬很硬的弹簧，用很大的能量才能压动一点点，”陈雁北说。如果某人站在引力波波源附近，而引力波向此人正面袭来，从理论上说人会变得矮胖，再抻长，再变矮胖……如此反复，但实际上在地面是很难探测到引力波的。

    引力波能让科幻成真吗？

    陈雁北教授说，引力波非常微弱，因此很难发射可以被接收和探测的引力波。从理论上讲，有可能向一个正在合并的双黑洞发射一个叠加的引力波，可望产生一种引力波放大效果，但实际上不太可能实现。此外，由于引力波本身造成的时空弯曲是很小的，所以借助引力波“穿越时空、回到过往”并不现实。加州理工学院物理系教授魏因施泰说，引力波离应用阶段还很远。现在谈“借助引力波时空旅行”之类的科幻设想还为时太早，利用引力波的宇宙通信也只是一种微弱的可能。魏因施泰认为，探测到引力波后，应将其写入物理课本，“孩子们应该知道这件事，睁大眼睛看天空。也许这离日常生活还很遥远，但我们需要好奇”。下一步，他认为应去证明更多引力波的存在。