愛因斯坦的交響樂

杜芝茂

2016年2月11日，一則極具爆炸性的消息傳遍世界。美國“激光干涉引力波觀測站”（LIGO）對外宣布人類第一次直接探測到引力波的存在。從這一刻起，關(guān)于引力波的研究終于不再是紙上談兵了。引力波的發(fā)現(xiàn)，開啟了人類一場波瀾壯闊的新旅程。

終 極 驗 證

100多年前，愛因斯坦發(fā)表廣義相對論，并且預(yù)言有引力波的存在。愛因斯坦認為大質(zhì)量天體會引起周圍時空產(chǎn)生彎曲，當一個大質(zhì)量物體改變運動狀態(tài)時，會在周圍的時空中產(chǎn)生“漣漪”，即引力波。

1974年，美國物理學(xué)家泰勒（Joseph Taylor）和赫爾斯（Russell Hulse）利用射電望遠鏡觀測到由一顆中子星和一顆脈沖星組成的雙星系統(tǒng)PSR 1913+16。通過觀測這個雙星系統(tǒng)引力輻射阻尼所引起的軌道周期變率，間接地探測到了引力波，兩位物理學(xué)家也因此獲得1993年諾貝爾物理學(xué)獎。

如今，當人們還在以懷疑的態(tài)度爭論廣義相對論的時候，LIGO直接探測到引力波的存在，再一次強有力地驗證了廣義相對論的預(yù)言。

如何探測引力波

引力波是由質(zhì)量四極矩隨時間變化而產(chǎn)生的，在時空中以光速傳播。引力波可以被形象地理解為時空的自身變形，時空在一個方向上被拉伸，那么在與其垂直的另外一個方向上就會被壓縮。然而，它與其他波相比非常微弱，就連預(yù)言它存在的愛因斯坦都不相信能夠探測到它的存在。那么，這么微弱的引力波是如何被探測到的？

目前探測引力波，人們主要采用激光干涉儀、脈沖星計時陣列和宇宙微波背景輻射。探測引力波同時需要兩方面的技術(shù)支撐：一方面需要設(shè)計精巧的實驗方案，以此來增加探測器的基線長度，放大引力波效應(yīng)；另一方面需要運用頂尖的降噪技術(shù)，把震動噪聲、熱噪聲等這些影響引力波強度的噪聲降到最低。要知道，無論是已經(jīng)探測到引力波的LIGO，還是國際上其他探測引力波的先進設(shè)備，如意大利的VIRGO探測器、日本的KAGRA探測器等，都是基于這兩個方面開展相關(guān)研究的。

引力波與人類生活

一百多年前，湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子，緊接著倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，當時大家覺得這兩個發(fā)現(xiàn)與日常生活沒有太大的關(guān)系。但是現(xiàn)在看來，電子和X射線對人類生活的影響已經(jīng)遠超出當時人們的想象。如今引力波的存在已被證實，那它又將會給人類生活的哪些方面產(chǎn)生久遠的影響呢？

人類天文學(xué)的觀測研究

引力波的發(fā)現(xiàn)，為天文觀測提供了全新的探測手段。隨著越來越多引力波探測基地的建立，天文學(xué)的研究極可能進入引力波天文學(xué)時代。運用引力波來觀測宇宙，具有獨特的優(yōu)勢。一方面，引力波的頻率范圍是1～10-15赫茲，其波源基本覆蓋了宇宙中的各類天體系統(tǒng)，可探測無法用電磁輻射探測或不具有電磁輻射的天體，不受白天黑夜、天氣因素的影響，可以幫助人類更好地了解難以用傳統(tǒng)方法觀測的天體物理現(xiàn)象，如超新星爆發(fā)﹑星體碰撞﹑雙星并合﹑脈沖星轉(zhuǎn)動、黑洞擾動等。另一方面，在傳播過程中引力波基本不衰減，用它來觀測那些被其他物質(zhì)屏蔽的宇宙區(qū)域，來發(fā)現(xiàn)、探索新天體，實在是再合適不過了。最后，引力波是在宇宙大爆炸發(fā)生10-43秒后與物質(zhì)分離的，是隨機背景的重要組成部分，它的探測結(jié)果還能提供宇宙最早狀態(tài)的信息。

助力傳播領(lǐng)域

引力波有著極強的穿透力，不僅如此，它在傳播過程中，基本上不被吸收，不被散射，不被屏蔽。憑借這些優(yōu)點，引力波極有可能助力下一代通信技術(shù)。雖然這些仍然屬于猜想、構(gòu)思階段，但是隨著人類探索腳步的前進，引力波或許終有一天能夠淘汰現(xiàn)在人們依賴的光纜通信、有線電視，成為人類日常生活中必不可缺的通信載體。

自引力波發(fā)現(xiàn)以來，為緊追時代步伐，2015年，以中山大學(xué)牽頭利用人造衛(wèi)星探測空間引力波的“天琴計劃”已經(jīng)啟動。該計劃完全由我國自主開發(fā)，采用三顆全同的衛(wèi)星構(gòu)成一個等邊三角形陣列，原理與歐洲航天局（ESA）的LISA類似。通過測量一個周期為5.4分鐘的超緊湊雙白矮星系統(tǒng)（RX J0806.3+1527）的變化來探測引力波。該計劃預(yù)計于2035年建成并用于探測。

同時，我國另一個引力波探測計劃——“太極計劃”也在積極籌備中?！疤珮O計劃”將利用激光干涉方法對中低頻波段的引力波進行探測，主要是通過觀測雙黑洞并合和大質(zhì)量天體并合來探測引力波輻射。該計劃預(yù)計20年后完成，我們期待在引力波的研究上中國能與國際并軌同行。