引力波：13亿光年外的宇宙“心跳”

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　　如同伽利略首度把他的望远镜指向天空，这项对天空的新观测，将会加深我们对宇宙的理解，引发超乎预料的发现。
　　2月11日，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）负责人、加州理工学院教授David Reitze宣布，人类首次发现了引力波。消息一出，震动世界科学界。英国天文物理学家斯蒂芬·霍金表示，他相信这是科学史上重要的一刻。
　　最后一块“拼图”被找到
　　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”。爱因斯坦于1916年左右在广义相对论中提出引力波理论，认为聚集成团的物质或能量的形状或速度突然改变时，会改变附近的时空状态，效应就像涟漪以光速在宇宙传播。因此，当两个黑洞于约13亿年前碰撞，两个巨大质量结合所传送出的扰动，于2015年9月14日抵达地球，被地球上的精密仪器侦测到。
　　然而，从预言到探测，物理学家等待引力波的到来已有一百年之久。为什么引力波这么难得一见？主要原因是，相比较其他的几种力（强力、弱力、电磁力），引力是最弱的，相应的引力波效应也就很弱。想当初爱因斯坦在发表自己新的理论之后，就估算了引力波的强度。引力波的强度通常利用相对变形大小来表示，但是结果往往是小的可怜，几乎无法探测到。
　　事实上，本次引力波的发现也有几分运气。LIGO在1999年建成并且开始运行。但在2010年进行升级之前，没有探测到任何确定的引力波事件。从2010年开始，LIGO对探测器进行了第二阶段的升级，2015年6月进行测试运行，2015年9月开始正式运行，第一阶段的科学运行一直持续到2016年1月，升级后的版本被称为Advanced LIGO（简称aLIGO）。而此次新闻发布会的结果其实就是在刚刚升级完之后，由还在进行测试中的aLIGO所探测到的。相比较之前，aLIGO的探测灵敏度提高了10倍。
　　就像发布会中所言，这或许是大自然给我们苦盼许久的一份礼物。2012年，LIGO天文台创建人基普·索恩在《科学》杂志的一篇评论文章中说，预计在2017年，第一例黑洞合并的事例将会被发现。当时预计LIGO的升级会在2016年底完成，结果是升级进度超前，让我们提前听到了宇宙时空的声音。
　　打开科学研究新的“窗口”
　　斯蒂芬·霍金的黑洞与宇宙起源理论为我们开启了探索时空之谜的渠道，现在这位科学家正在研究引力波理论，试图将其纳入新的理论体系中，并且认为如果引力波理论被成功突破，其意义绝不亚于希格斯玻色子的发现。
　　霍金在接受英国广播公司专访时表示：“引力波提供看待宇宙的崭新方式，发现它们的能力，有可能使天文学起革命性的变化。这项发现是首度发现黑洞的二元系统，是首度观察到黑洞融合。”“除了检验（爱因斯坦的）广义相对论，我们可以期待透过宇宙史看到黑洞。我们甚至可以看到宇宙大爆炸时期初期宇宙的遗迹、看到其一些最大的能量，”霍金说。
　　资助这项研究的美国国家科学基金会负责人柯多瓦表示，“如同伽利略首度把他的望远镜指向天空，这项对天空的新观测，将会加深我们对宇宙的理解，引发超乎预料的发现。”
　　引力波以光速传播，它与物质的相互作用非常弱，所以引力波可以给我们提供宇宙几乎无阻挡的图景，而这个几乎是无法利用我们熟知的电磁波来达到的。比如，利用引力波，我们可以看到宇宙的最早期，在此之前，电磁波是不能给我们提供的。所以引力波是我们了解宇宙形成的最好工具。
　　如果还记得在《星际穿越》电影中的结尾之时，主人公库珀身处一个五维时空的超体方体中，为了将从黑洞中心所提取出来的信息传递给身处四维时空的女儿墨菲，人为地制造引力波效应，成功将信息传递，从而使人类得以解救。引力波从目前物理学家的认识来看，是唯一一种可以在不同维度传播的波。不同宇宙之间的碰撞，会产生引力波。说不定在不远的将来，我们也可以依靠引力波来判断多重宇宙的存在与否。
　　就如同一个天生的聋哑人，一直在听别人说声音的存在，突然有一天听力恢复了。我们此刻的心情也是差不多如此，引力波给我们打开了一扇全新的窗口。
　　中国的“太极”与“天琴”
　　“LIGO的成功对于全球空间引力波探测与研究都具有启示作用，但只是奏响了序曲”，在中国科学院院士胡文瑞看来，“空间引力波探测就像是一出交响乐，主调部分还没开始。”LIGO的发现让我国科学家对中国引力波研究充满期待，中国科学院正在酝酿的“太极计划”将探测天文学和空间宇宙物理最前沿的课题——测量中、低频引力波。
　　按照空间“太极计划”我国将在2030年前后发射三颗卫星组成的引力波探测卫星组，用激光干涉方法进行中低频波段引力波的直接探测。“太极计划”的主要科学目标是观测双黑洞并合和极大质量比天体并合时产生的引力波辐射，以及其他的宇宙引力波辐射过程。
　　我国目前的技术能力与国际先进水平还有一定的差距，这种差距可以通过良好的国际合作得到一定的弥补，“太极计划”提出的正是中欧合作的国际合作计划，它有两个方案。
　　方案一是参加欧洲空间局的eLISA双边合作计划，今年秋天将召开第三次双方科学家会议，完成双边合作的可行性报告，然后各自向主管部门呈报，由双方主管部门审批后执行。国际上很希望能有二组空间引力波探测系统同时进行空间探测，彼此验证。
　　方案二是发射中国的引力波探测卫星组，与2035年左右发射的eLISA卫星组同时遨游太空，进行低频引力波探测。方案二拟于2033年前后发射，实现我国大型先进科学卫星计划的突破。届时，中国卫星组与eLISA卫星组同时在空间独立进行引力波探测，互相补充和检验测量结果，我国将成为国际上空间引力波研究最重要基地之一。
　　对于日前备受关注的中山大学发起“天琴计划”，胡文瑞院士表示，“天琴计划”不仅仅是引力波观测，还包括地球重力测量等其他观测内容，对引力波的观测在地球轨道。而空间“太极计划”由中国科学院发起，计划专注于观测中低频段的引力波，观测轨道在太阳轨道，实现多维观测引力波。


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