追尋引力波：中國“天琴”還有戲

晨陽

引力波被直接探測到，成為宇宙暴脹和大爆炸理論的強烈證據(jù)，也讓人類探索宇宙奧秘多了一項重要的工具，我們將以前所未有的方式看到塑造宇宙的力量。

當美國國家科學基金會、加州理工學院和麻省理工學院的研究團隊2月11日宣布，美國的激光干涉引力波天文臺（LIGO）宣布已經(jīng)于去年9月首次探測到引力波，證實了愛因斯坦100年前所做的預測，整個科學界都為之轟動了。就連一般的普通人，也被鋪天蓋地刷屏的引力波相關文章，著著實實地進行了一次科普洗腦。

2016 年2 月11 日，美國華盛頓，美國科研人員11 日宣布， 他們利用激光干涉引力波天文臺（LIGO） 于去年9 月首次探測到引力波，證實了愛因斯坦100年前所做的預測。

愛因斯坦1915年發(fā)表廣義相對論時即預言有引力波存在。經(jīng)過一個世紀，廣義相對論的其他預言，如重力令光線彎曲、水星在近日點的移動幅度和重力紅移（光在引力場中會向紅端移動）等，都先后獲證實，唯獨引力波的存在只有間接證據(jù)。如今人類終于直接探測到了引力波的存在，為100年前發(fā)表的廣義相對論預言合上了最后一塊拼圖，這也是對這位科學巨匠最好的紀念。

探尋宇宙奧秘的工具

愛因斯坦在廣義相對論提出，物質在時空中運動時，附近的時空曲率會隨之改變。如果是大質量物體運動，例如兩個黑洞碰撞，所產(chǎn)生的曲率變化會像波一樣向外傳播，導致時空壓縮、伸展，這就是引力波。引力波以光速傳遞，無法加以阻擋或阻撓。但是由于引力波產(chǎn)生的時空扭曲非常微小，在此之前科學家從未成功觀測到，引力波的探測之路并不平坦。

第一個對直接探測引力波作為偉大嘗試的人是馬里蘭大學物理學家約瑟夫·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。1969年，他宣布用自己發(fā)明的一個探測器—— 一個約2米長、直徑約1米寬的鋁制圓柱體——發(fā)現(xiàn)了引力波，當該探測器受到引力波撞擊時會產(chǎn)生“振鈴效應”。然而，他的研究結果卻未能得到復制，而且該結果最終除了其本人以外，幾乎遭到了所有物理學家的反對。盡管如此，他的研究依然吸引了很多研究人員加入到引力波探測的隊列之中。

得到更加廣泛認可的一項發(fā)現(xiàn)來自馬薩諸塞大學阿默斯特分校的約瑟夫·泰勒及其研究生羅素·赫爾斯。兩人于1974年發(fā)現(xiàn)了首顆脈沖雙星，它由在近距離軌道上相互作用的兩顆中子星構成，而且它們在以愛因斯坦理論預測的精確速率向內(nèi)呈螺旋狀運作——表明引力波可能在帶走它們的能量。這一發(fā)現(xiàn)被認為是觀察到引力波的間接證據(jù)，并讓赫爾斯和泰勒摘得1993年的諾貝爾物理學獎桂冠。

韋伯設計建造的共振棒的局限性，使得科學家們從70年代開始，嘗試用激光干涉儀來尋找引力波的蹤跡。這次宣布直接探測到引力波的LIGO團隊在美國首都華盛頓及路易斯安那州各安裝了一塊巨型鏡片，再發(fā)射激光，讓光束在兩塊鏡片之間往來穿梭，進而檢測光束內(nèi)的信號干擾，借此尋找引力波。

終于，當宇宙深處的兩個黑洞于約13億年前碰撞所傳送出的引力波擾動，在2015年9月14日抵達地球，被地球上的LIGO天文臺的精密儀器偵測到。而研究人員當時并沒有覺察，在大約半小時后才發(fā)現(xiàn)了這一驚人的現(xiàn)象?？茖W家花費數(shù)個月時間驗證數(shù)據(jù)并通過審查程序，才宣布這個信息，標志著全球各地研究團隊數(shù)十年努力的最高潮。

眾里尋它千百度。近一個世紀的求索后，人類終于聆聽到宇宙深處的聲音。引力波被直接探測到，成為宇宙暴脹和大爆炸理論的強烈證據(jù)，也讓人類探索宇宙奧秘多了一項重要的工具，我們將以前所未有的方式看到塑造宇宙的力量。

資助這項研究的美國國家科學基金會負責人柯多瓦表示：“如同伽利略首度把他的望眼鏡指向天空，這項對天空的新觀測，將會加深我們對宇宙的理解，引發(fā)超乎預料的發(fā)現(xiàn)?！?/p>

不少物理學家指這發(fā)現(xiàn)堪稱過去25年最重要的宇宙學成就，未來10年將深刻改變對宇宙的認識。德國馬克斯·普朗克重力物理研究所物理學家艾倫表示：“首次發(fā)現(xiàn)重力波可穩(wěn)奪諾貝爾獎?！?/p>

英國著名天文物理學大師霍金也表示，他相信這是科學史上重要的一刻。他在接受英國廣播公司（BBC）專訪時表示：“引力波提供看待宇宙的嶄新方式，發(fā)現(xiàn)它們的能力，有可能使天文學起革命性的變化。這項發(fā)現(xiàn)是首度發(fā)現(xiàn)黑洞的二元系統(tǒng)，是首度觀察到黑洞融合?！薄俺藱z驗（愛因斯坦的）廣義相對論，我們可以期待透過宇宙史看到黑洞。我們甚至可以看到宇宙大爆炸時期初期宇宙的遺跡、看到其一些最大的能量”，霍金說。

中國力量助力探測

其實，引力波并不是什么新鮮事物。按照愛因斯坦的理論，整個宇宙都一直沉浸在引力波中。在科幻文學作品和影視中，引力波也多次出現(xiàn)過。

在電影《星際穿越》中，主人公Cooper通過引力波穿越時間和空間給女兒Murph傳遞了信息，正如有篇著名的影評所說：“能夠穿越星際的，不止引力波，還有愛?！?/p>

而在中國作家的筆下，引力波也早就被提及。

世界華人科幻協(xié)會會長、北京師范大學教授吳巖在1981年還是一個高中學生時，就在《科幻世界》雜志上發(fā)表了一篇科幻小說，小說中這樣寫道：“遙控開關啟動了引力波武器。真沒想到，引力波武器還有這種說不出的能力。……他揉揉眼睛，望見陶博士正在綠色小屋里翻看著雜亂的陳設和引力波控制系統(tǒng)。”

2016 年2 月11 日， 耶路撒冷，希伯來大學的愛因斯坦檔案館館長RoniGross 展示愛因斯坦有關引力波的原始文件。

榮獲2015年科幻文壇大獎“雨果獎”，由我國著名科幻作家劉慈欣創(chuàng)作的小說《三體》中，用到了大量的物理學設定，其中就有引力波。書中寫道：“羅輯一家遠遠地就看到了引力波天線，但車行駛了半小時才到它旁邊。這時他們才真正感受到它的巨大?！?在《三體》中，羅輯靠引力波天線與三體世界建立了恐怖平衡，拯救了危在旦夕的人類。

實際上，《三體》的作者劉慈欣并不只在這一部作品中引入了引力波的概念。在他的另一篇科幻小說《朝聞道》中，引力波同樣成為了在宇宙間傳遞信息的工具：人類接觸到的高等宇宙文明，就是通過破譯引力波，獲得了宇宙終極問題的答案。

當然，關注引力波的，并不只有中國作家。美國“激光干涉引力波天文臺”（LIGO）成功探測到引力波，而在這耀眼的成功光環(huán)背后，是十多個國家、千余名研究人員的艱辛付出，這其中也不乏中國人的身影。

2009年，清華大學被LIGO科學合作組織（LSC）接受為正式成員，也是目前中國大陸唯一的LSC成員。作為清華大學LIGO工作組負責人，清華大學信息技術研究院研究員、LSC理事會成員曹軍威向媒體介紹，中國清華大學的科研團隊應用先進計算技術提高引力波數(shù)據(jù)分析的速度和效率，以高精度的數(shù)據(jù)分析能力幫助“凈化”了引力波探測中的干擾信號，為最終成就了引力波探測的成功做出了突出貢獻。

中國沒有失去機會

引力波探測原本可能是中國科學家獲得諾貝爾獎最重要的機會之一。但是LIGO這次的發(fā)現(xiàn)，會不會讓中國人的期望再次落空呢？

1971年楊振寧首次訪華時，曾告訴中科院高能所的專家，利用韋伯棒探測引力波，是一個“投錢少，有重大科學意義”的課題。1979年7月在意大利召開的第二屆格拉斯曼廣義相對論國際會議上，來自中山大學的陳嘉言教授，由于在引力波研究方面的貢獻，被聘為會議顧問委員會委員。這是中國的引力波研究第一次被國際社會認可。

不過遺憾的是，在探測引力波的道路上，當時中國沒能系統(tǒng)性地堅持下去。高能所在1988年就停止了這方面研究，中山大學因為和斯坦福大學做聯(lián)合測量，又持續(xù)了一段時間，后來專家們都相繼退休了。此后，做引力波項目的人要么退休、要么轉行，要么出國。

這段空白造成的最大損失，是人才上的斷層和工程技術發(fā)展的機會。

好在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，中科院多個研究所及院外科研單位共同成立了科學院空間引力波探測工作組，開始探索中國空間引力波探測的可行性。這一項目被列入中科院空間科學2050年規(guī)劃。

去年7月23日，中國的引力波探測工程“天琴計劃”開始啟動。牽頭這一計劃的中山大學發(fā)布招聘啟事，面向全球招募千人、青年千人、教授（含長江學者特聘教授）、副教授、講師、研究員和博士后。天琴計劃將需要一百人左右的教師團體，四五百人左右的研究、工程技術人員以及博士后。

據(jù)悉，這項計劃的部分關鍵技術研究已有具體進展，目前正在立項中。根據(jù)目前的設想，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，發(fā)射三顆地球高軌衛(wèi)星進行引力波探測。完成全部四個子計劃，大約需要20年的時間，投資大約150億。

就在天琴計劃剛剛開始的時候，就傳來LIGO已經(jīng)發(fā)現(xiàn)引力波的消息，是不是中國人就沒有了機會？

引力波論文作者之一、LIGO科學聯(lián)盟核心成員、加州理工學院教授陳雁北表示，地面和天空探測是不同的波段，不同的波段會有不同現(xiàn)象，能看到不同的東西。如果考慮到地面已經(jīng)探測到引力波，對于空間探測將是一個鼓勵，“天琴計劃”很可能會相比地面探測到的黑洞更大，可能看到星系中心大質量黑洞的并合過程，它們可以研究了解到宇宙早期星系演化的過程，這個是地面上探測不到的，因此“天琴計劃”可以探測到更多新的信息，兩個項目研究是完全沒有矛盾的。

西澳大利亞大學的戴維·布萊爾曾經(jīng)這樣說過，實際上這一領域還有廣闊的未來，未來50年內(nèi)，我們能夠看到大量來自關于時空、黑洞、引力與量子力學關系的研究獲得諾貝爾獎，而引力波天文學是這些研究最重要的工具。在2011年的一次香山科學會議上，與會的專家也認為，探測引力波工程，將可以催生不是一個而是一批諾貝爾獎。

中山大學天文與空間科學研究院院長李淼表示，中國要做強國，在基礎物理和航天方面一定要加大發(fā)展力度。中國現(xiàn)在發(fā)展那么快，在科研方向應該做出中國的貢獻。

“天琴計劃”，仍大有可為。