發(fā)現(xiàn)引力波：聆聽(tīng)宇宙之聲

愛(ài)因斯坦又對(duì)了！在這位大科學(xué)家提出引力波的預(yù)言百年之后，美國(guó)加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院以及美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）的研究人員宣布，他們利用LIGO探測(cè)器于2015年9月14日探測(cè)到來(lái)自于兩個(gè)黑洞合并的引力波信號(hào)。

引力波是一種時(shí)空漣漪，如同石頭被丟進(jìn)水里產(chǎn)生的波紋一樣。黑洞、中子星等天體在碰撞過(guò)程中有可能產(chǎn)生引力波。100年前，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在。廣義相對(duì)論的其他預(yù)言如光線的彎曲、水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)以及引力紅移效應(yīng)都已獲證實(shí)，唯有引力波一直徘徊在科學(xué)家的“視線”之外。如今，愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中最后一塊缺失的“拼圖”被補(bǔ)上了。它的發(fā)現(xiàn)是物理學(xué)界里程碑式的重大成果。

“女士們、先生們，我們已經(jīng)探測(cè)到引力波，我們找到它了?！?LIGO執(zhí)行主任戴維·賴茨2月11日在華盛頓舉行的記者會(huì)上宣布。

在一片嘈雜的背景噪音中，一聲“噗”的清脆聲響，如水滴落水，持續(xù)時(shí)間不到1秒，這正是由引力波轉(zhuǎn)化成的宇宙之聲。在記者會(huì)上，LIGO科學(xué)家現(xiàn)場(chǎng)播放了來(lái)自宇宙的“聲音”。

“我們能‘聽(tīng)見(jiàn)引力波，我們能‘聽(tīng)見(jiàn)宇宙，這是引力波最美妙的事件之一。我們不僅將‘看見(jiàn)宇宙，我們還將‘傾聽(tīng)它?！盠IGO項(xiàng)目組發(fā)言人、路易斯安那州立大學(xué)物理學(xué)家加布里埃拉·岡薩雷斯介紹。

來(lái)自加州理工學(xué)院的賴茨把尋找引力波比作科學(xué)上的登月項(xiàng)目。“我們做到了，我們登上了這個(gè)‘月球?！彼d奮地說(shuō)。

“我相信愛(ài)因斯坦看到今天的結(jié)果，一定也會(huì)嚇一跳，”LIGO科學(xué)合作組織研究成員之一、加州理工學(xué)院物理學(xué)教授陳雁北說(shuō)，“盡管他會(huì)因自己在廣義相對(duì)論、量子力學(xué)、激光等多個(gè)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)感到欣慰，但百年來(lái)物理學(xué)已獲得前所未有的發(fā)展。對(duì)于人類今天的成就，愛(ài)因斯坦一定無(wú)法想象?！?/p>

愛(ài)因斯坦百年前預(yù)言引力波存在，但也曾認(rèn)為，由于引力波太過(guò)微弱，它無(wú)法被探測(cè)到。參與LIGO項(xiàng)目的澳大利亞墨爾本大學(xué)研究員孫翎說(shuō)：“我們證明了愛(ài)因斯坦的正確，另一方面他也說(shuō)錯(cuò)了，我們真的探測(cè)到了。”

13億年前，兩個(gè)恒星量級(jí)黑洞撞到了一起。

大約3倍于太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)，在不到1秒的時(shí)間內(nèi)，被轉(zhuǎn)化為引力波。這在時(shí)空中激蕩起的漣漪，以光的速度向外擴(kuò)散。

黑洞合并的交響曲已經(jīng)奏響，只是它幾乎無(wú)聲無(wú)息，混雜于所有噪聲中。

100年前，物理學(xué)家愛(ài)因斯坦做出了關(guān)于引力波的預(yù)言。時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)，物質(zhì)引導(dǎo)時(shí)空如何彎曲。當(dāng)物質(zhì)在時(shí)間的“水面”運(yùn)動(dòng)，水波便會(huì)蕩開(kāi)。但他又說(shuō)，在所有能想得到的情況下，引力波的輻射都可以被忽略。

有多小呢？當(dāng)一列引力波向你走來(lái)，你便會(huì)經(jīng)歷一個(gè)忽高忽矮、忽胖忽瘦的神奇過(guò)程。但是這樣的一個(gè)變化幅度，大概為一個(gè)氫原子的五百億分之一那么微小。

美國(guó)華盛頓州漢福市的激光干涉引力波天文臺(tái)的資料圖片

不過(guò)人類并未因此放棄探測(cè)引力波。

實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家約瑟夫·韋伯用共振法尋找引力波，他自己發(fā)明了一種鋁制圓筒作為探測(cè)工具。上世紀(jì)60年代末，他宣稱引力波撞擊了這一探測(cè)器。但他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果從未再現(xiàn)，又無(wú)法解釋，因此未獲認(rèn)同。

又是幾年過(guò)去，1974年，兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一對(duì)脈沖雙星。這個(gè)星體由兩個(gè)在近距離軌道里相互纏繞的中子星組成，而且以愛(ài)因斯坦預(yù)測(cè)的速度螺旋式向內(nèi)靠攏——這是引力波存在的間接證據(jù)！神秘的引力波，現(xiàn)出了一個(gè)朦朧身影。

可是還不夠。20世紀(jì)90年代起，在世界各地，一批大型激光干涉引力波探測(cè)器開(kāi)始籌建。它們是人類用來(lái)捕捉引力波音符的耳朵。

17年前， LIGO在美國(guó)初步建成，它是美國(guó)分別在路易斯安那州利文斯頓市與華盛頓州小城漢福德市建造的兩個(gè)引力波探測(cè)器。2005年至2007年間，LIGO進(jìn)行過(guò)一次升級(jí)改造。升級(jí)后的LIGO于2009年7月重啟，直到2010年10月結(jié)束，但未能探測(cè)到引力波存在的可靠證據(jù)。2010年，LIGO開(kāi)始對(duì)探測(cè)器進(jìn)行升級(jí)。2015年9月，靈敏度提升了十倍的升級(jí)版LIGO整裝再出發(fā)。長(zhǎng)臂中的激光再次不知疲倦反復(fù)奔跑，等待著引力波降臨，那個(gè)神奇的干涉圖紋的出現(xiàn)。

LIGO系統(tǒng)由相距1865英里（約3000公里）的兩個(gè)完全相同的探測(cè)器組成。每個(gè)探測(cè)器包含由兩個(gè)長(zhǎng)度為4公里的L形真空管?？茖W(xué)家們通過(guò)真空管來(lái)發(fā)射激光束。每束激光到達(dá)真空管末端后，會(huì)被鏡面反射，并沿相反路線返回。在同等條件下，兩束激光應(yīng)該在完全相同的時(shí)間抵達(dá)源頭，由于干涉作用，光線不會(huì)抵達(dá)光電探測(cè)器。而一旦有引力波穿過(guò)探測(cè)器，根據(jù)愛(ài)因斯坦100年前的預(yù)測(cè)，會(huì)使兩個(gè)真空管中的空間出現(xiàn)極其微小的拉伸與壓縮，從而破壞了原有的完美平衡，使光線外泄到光電探測(cè)器上。

建造LIGO最難，也是LIGO最厲害的地方在于：整個(gè)探測(cè)器都需要根據(jù)地球曲率校正設(shè)計(jì)建成，盡可能避免來(lái)自地表震動(dòng)的干擾;為減少大氣和污染物對(duì)激光運(yùn)行的干擾，還要將其置于真空之中。為確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，開(kāi)機(jī)后兩臺(tái)探測(cè)器必須不間斷地記錄結(jié)果，任何一個(gè)小數(shù)據(jù)都不能遺漏。

有人打了一個(gè)比方來(lái)形容LIGO所能達(dá)到的精度——LIGO能在1公里的長(zhǎng)度上找到小于原子核半徑一萬(wàn)倍的空間變化。

美國(guó)東部時(shí)間2015年9月14日5時(shí)51分，位于利文斯頓的探測(cè)器首先傳出撞擊聲，7毫秒后，漢福德的探測(cè)器也傳出撞擊聲。這意味著有引力波傳到了地球，并被兩個(gè)探測(cè)器探測(cè)到。

LIGO項(xiàng)目組稱，基于觀測(cè)到的信號(hào)，此次探測(cè)到的引力波是由兩個(gè)黑洞合并引發(fā)的。這兩個(gè)黑洞的直徑都在150公里左右，質(zhì)量分別是太陽(yáng)質(zhì)量的29倍和36倍，合并后的總質(zhì)量是62個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的能量以引力波的形式在不到1秒的時(shí)間內(nèi)釋放，釋放的峰值能量比整個(gè)可見(jiàn)宇宙釋放的能量還要高出約50倍。據(jù)推測(cè)，兩個(gè)黑洞的合并發(fā)生在13億年前，它們不斷靠近，旋轉(zhuǎn)，并最終合并成一個(gè)黑洞。合并過(guò)程中產(chǎn)生的引力波經(jīng)漫長(zhǎng)的傳播最終抵達(dá)地球。

百年來(lái)，引力波的身影總是顯得“虛無(wú)縹緲”，但在這個(gè)頂級(jí)世界難題的漫長(zhǎng)求索中，中國(guó)科學(xué)家從未放棄過(guò)自己的努力。這一次，當(dāng)我們?cè)诙噙_(dá)1004位作者的龐大署名中，發(fā)現(xiàn)3個(gè)屬于中國(guó)科學(xué)家的名字時(shí)，我們還應(yīng)記取另外一些閃耀在引力波“捕獲”之路上的中國(guó)科學(xué)家的身影。

早在20世紀(jì)70年代，中國(guó)科學(xué)家就開(kāi)始了引力波研究。

中山大學(xué)是國(guó)內(nèi)引力波研究的先行者，該校相關(guān)負(fù)責(zé)人還原了這段中國(guó)人向世界難題發(fā)起沖擊的歷史：“1973年，中科院的王祝翔、秦榮先等人前往廣州，商討中科院高能所和中山大學(xué)合作引力波符合探測(cè)研究的事宜，得到中大及物理系教授陳嘉言等人的大力支持。1976年，國(guó)家科委和教育部決定把這項(xiàng)研究定為國(guó)家重點(diǎn)研究項(xiàng)目。”

老一輩科學(xué)家的探索不久之后就收獲了碩果。

1979年7月，第二屆格拉斯曼廣義相對(duì)論國(guó)際會(huì)議在意大利舉行。陳嘉言因?yàn)樵谝Σㄑ芯糠矫娴呢暙I(xiàn)，被聘為會(huì)議顧問(wèn)委員會(huì)委員。在會(huì)上，陳嘉言作了《北京—廣州引力波探測(cè)進(jìn)展》的報(bào)告，這是中國(guó)的引力波研究第一次被國(guó)際社會(huì)所認(rèn)可。

兩個(gè)月后，中國(guó)引力與相對(duì)論天體物理學(xué)會(huì)在廣州成立，許多老一輩的著名科學(xué)家如錢三強(qiáng)、周培源參加了學(xué)會(huì)，中科院學(xué)部委員北京大學(xué)胡寧教授為理事長(zhǎng)，陳嘉言當(dāng)選為副理事長(zhǎng)。此后，中國(guó)引力波研究的捷報(bào)頻傳。

1980年初，常溫共振型引力波探測(cè)器完成組裝。

1981年6月，常溫引力波探測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)性運(yùn)行，測(cè)出和記錄了天線的熱噪聲，得出了理論靈敏度同實(shí)測(cè)靈敏度一致的結(jié)果。

1982年1月，陳嘉言應(yīng)邀到西澳大利亞大學(xué)訪問(wèn)并作學(xué)術(shù)報(bào)告，受到當(dāng)?shù)厝A僑組織歡迎，這也是中國(guó)科學(xué)界首次到當(dāng)?shù)卦L問(wèn)。

但遺憾也隨之而來(lái)。1982年4月9日，陳嘉言工作時(shí)不幸在真空罐中觸電殉職，終年46歲。在他離世后，由于人才隊(duì)伍接續(xù)等問(wèn)題，中國(guó)的引力波研究停滯了十多年。直到2008年，在中科院力學(xué)所國(guó)家微重力實(shí)驗(yàn)室胡文瑞院士的推動(dòng)下成立了空間引力波探測(cè)工作組，引力波的中國(guó)研究才再啟征程。

令人欣喜的是，盡管有一段空白歷史，但在這次至關(guān)重要的“捕獲”中，中國(guó)科學(xué)家并未缺位。憑借高精度的數(shù)據(jù)分析能力，中國(guó)科學(xué)家“凈化”了引力波探測(cè)中的干擾信號(hào)，與全世界頂尖科學(xué)家“協(xié)同作戰(zhàn)”，共同開(kāi)啟了全新的天文時(shí)代。

LIGO技術(shù)人員在引力波探測(cè)器實(shí)驗(yàn)室內(nèi)工作

清華大學(xué)信息技術(shù)研究院研究員、LSC理事會(huì)成員曹軍威正是這支“凈化之軍”的負(fù)責(zé)人。2004年至2006年，在美國(guó)麻省理工學(xué)院空間研究中心工作的曹軍威便參與了引力波數(shù)據(jù)計(jì)算和分析的工作。在這期間，他時(shí)刻關(guān)注著LIGO的工作動(dòng)態(tài)。“國(guó)內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)不應(yīng)該在這樣的頂級(jí)研究領(lǐng)域落后。”2006年回國(guó)后，曹軍威組織創(chuàng)建了清華LIGO工作組，由來(lái)自信研院、自動(dòng)化系、計(jì)算機(jī)系和工程物理系的教師和學(xué)生組成。他們采用先進(jìn)計(jì)算技術(shù)提高引力波數(shù)據(jù)分析的速度和效率，也逐漸得到了國(guó)際同行的認(rèn)可。2009年，清華大學(xué)被LIGO科學(xué)合作組織（LSC）接受為正式成員，也是目前中國(guó)大陸唯一的LSC成員。

“這次發(fā)現(xiàn)的確美妙和激動(dòng)人心，但日常工作中的海量數(shù)據(jù)分析并不總是令人愉快?！辈苘娡榻B，LIGO數(shù)據(jù)的采樣頻率特別高，達(dá)到每秒1.6萬(wàn)次以上，采樣信道達(dá)上萬(wàn)個(gè)，數(shù)據(jù)量大，需要先進(jìn)的計(jì)算機(jī)處理技術(shù)做支撐。而對(duì)于這樣的海量處理，需要的是“坐穿板凳”的沉潛定力?！奥L(zhǎng)的時(shí)間里，LIGO探測(cè)器并沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)精度，是探測(cè)不到真正的引力波信號(hào)的，可以認(rèn)為實(shí)際大家在處理的全都是噪聲，可就是在對(duì)這些噪聲的一點(diǎn)一滴的處理中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，不斷提升儀器的精度，才有了今天的探測(cè)靈敏度?！辈苘娡缡钦f(shuō)。

郭翔宇是清華計(jì)算機(jī)系高性能計(jì)算所的碩士研究生，也是清華LIGO工作組中一名普通科研人員。他每天的科研任務(wù)，就是讓引力波數(shù)據(jù)分析處理的過(guò)程更有效率。“每周我們都要與西澳大利亞大學(xué)的項(xiàng)目組成員跨洋討論，一年多來(lái)，我在先前的基礎(chǔ)上，將探測(cè)器GPU的信息處理速度從原有的58倍提升到了120倍以上。”郭翔宇說(shuō)。

“目前，我國(guó)主要有兩大引力波探測(cè)項(xiàng)目：中科院高能所主導(dǎo)的‘阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃和中山大學(xué)領(lǐng)銜的‘天琴計(jì)劃。一個(gè)是在地面上聆聽(tīng)引力波的音符，一個(gè)是到太空去捕捉引力波的聲響?！?月13日，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所在其官方微博上發(fā)布了上述內(nèi)容。這意味著，在積極融入頂尖課題的世界協(xié)同作戰(zhàn)之余，中國(guó)科學(xué)家也同時(shí)開(kāi)啟了新一輪的本土沖擊。

來(lái)自科技部的消息顯示，致力于“在地面聆聽(tīng)引力波音符”的中科院國(guó)家天文臺(tái)阿里觀測(cè)站位于西藏阿里獅泉河鎮(zhèn)以南海拔5100米的山脊，海拔高、云量少、水汽低、透明度高。它的選址工作在國(guó)家天文臺(tái)相關(guān)研究人員的帶領(lǐng)下，持續(xù)長(zhǎng)達(dá)10年，已成為天文臺(tái)選址工作的典范。建成后，其地理上的中緯度范圍、對(duì)天區(qū)的廣闊覆蓋，有望填補(bǔ)北半球觀測(cè)宇宙微波背景輻射的空白。

而立志“到太空去捕捉引力波的聲響”的“天琴計(jì)劃”則由中山大學(xué)于2015年7月23日牽頭啟動(dòng)，主要是以引力波研究為中心，開(kāi)展空間引力波探測(cè)計(jì)劃任務(wù)的預(yù)先研究，制定中國(guó)空間引力波探測(cè)計(jì)劃的實(shí)施方案和路線圖，并開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)研究。中山大學(xué)相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，該計(jì)劃主要將分四階段實(shí)施，大約需要20年，投資150億元。

“探測(cè)到引力波只是剛剛開(kāi)始，并非結(jié)束，我們非常需要中國(guó)科學(xué)家的努力?！盠IGO數(shù)據(jù)分析專家、加州理工學(xué)院物理系教授艾倫·魏因施泰對(duì)中國(guó)科學(xué)家的努力充滿期待。

曹軍威始終認(rèn)為，作為最前沿、最頂尖的科學(xué)探索之一，如引力波探測(cè)般的世界頂級(jí)課題必定是一次全球智慧的協(xié)作與“眾包”，而自己的團(tuán)隊(duì)正是這個(gè)“特大集成研究項(xiàng)目”中的一環(huán)。他總結(jié)了三個(gè)引力波探測(cè)的特點(diǎn)：投資規(guī)模大、多學(xué)科交叉、國(guó)際緊密合作?！斑@樣規(guī)模的科學(xué)探索遠(yuǎn)超出某個(gè)單一學(xué)科的范疇，也超出某一個(gè)研究小組、一個(gè)大學(xué)或研究機(jī)構(gòu)，甚至一個(gè)國(guó)家的能力，必須是物理、天文、機(jī)械、激光、精密儀器、信息等方方面面的專家共同參與，在全球范圍聯(lián)合攻關(guān)?！?/p>

中山大學(xué)天文與空間科學(xué)研究院院長(zhǎng)李淼認(rèn)為：“引力波的發(fā)現(xiàn)，會(huì)進(jìn)一步刺激各國(guó)的研究進(jìn)度，世界各地的引力波研究計(jì)劃將很快推進(jìn)，中國(guó)本土研究的進(jìn)展也會(huì)加快?！?/p>

這進(jìn)步背后，除了對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)投入的重視，還要有一種摒棄功利的、廣闊的人類意識(shí)。當(dāng)人類共同走進(jìn)“引力波”時(shí)代，這一激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)所帶給我們的啟示，對(duì)中國(guó)科學(xué)界似乎同樣極具價(jià)值。（本刊綜合）※