引力波已发展到网络或将带来科技革命

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100年前，当爱因斯坦预测引力波的存在的时候，他不曾想过，有朝一日，人类能够真正观测到引力波：这个效应是如此的微弱，无法察觉。引力波的发现对普通人的生活会产生什么影响？科学家们表示，一个新的重大科学发现，总会给人类社会带来无法预估的发展。

资料图：画面中的引力波之光，中心如巨型钻石一般璀璨夺目，钻石周围形成泛着紫色和蓝色的光圈，一束光线如利剑一般从钻石中心穿过，带给人极为震撼的视觉效果。

百年引力波的魅力

10月16日，南京紫金山天文台对外发布一项重大发现，我国南极巡天望远镜追踪探测到首例引力波事件光学信号。另外，我国第一颗空间X射线天文卫星慧眼望远镜在此次引力波事件发生时，成功检测了引力波源所在的天区。

从1916年爱因斯坦在《德国物理学》杂志上发表《广义相对论基础》一文，到2016年2月11日美国国家科学基金会携加州理工学院、麻省理工学院和LIGO科学合作组织的科学家宣布首次直接探测到了引力波，人类对引力波的探索已经有百年历程。那么，引力波到底是什么，为什么一代代科学家都对此执著研究？

如同船在水中引起的涟漪

2015年，美国科幻、奇幻和恐怖电影学院将土星奖最佳影片颁给了电影《星际穿越》，这部电影关于时间空间的阐述手法令人称奇，而影片的科学顾问就是今年诺贝尔物理学奖得主之一基普索恩，他的获奖原因是构思和设计激光干涉仪引力波天文台LIGO，对直接探测引力波作出杰出贡献。

在2009年以前，基普索恩一直担任加州理工学院费曼理论物理学教授，奠定了引力波探测的理论基础，开创了引力波波形计算以及数据分析的研究方向。辞去费曼教授职务后，他开始钟情于电影，第一部就是与诺兰合作的《星际穿越》。

事实上，引力波也是在解释空间和时间的关系，爱因斯坦在《广义相对论基础》一文中认为，空间、时间是一个整体，引力不是通常意义下的力，而是时空弯曲的一种表现，本质是一种几何现象。这种时空弯曲的曲率与处于时空中的物质直接相联系，物质的存在会使周围的时空发生弯曲，并且会以光速向四周传播，这种波动即为引力波。

简单来说，广义相对论认为，大到天体，小到人类本身，在运动时都会使周围的时空产生涟漪，就如同船在水中移动时会产生水波一样，船是物质，水好比是时空，水产生的波动就是引力波。只不过，这样的波动非常不易察觉，这使得爱因斯坦的引力波理论在很长一段时期都没有得到实验验证。

从一个公式发展到一个网络

引力波探测的困难，与宇宙的浩瀚不无关系。探测引力波的方式，是利用引力波的潮汐效应，探测引力波作用下两个物体之间的距离变化，而这种变化，是非常微小的。

一般来说，如果宇宙中发生了超新星爆发、黑洞形成的大事件，相应天体会产生巨大的引力波，不过，这样的现象具有非常大的偶然性，很难遇到并恰好捕捉到。于是，科学家们开始关注另一种天体，一种可以发出连续引力波的天体双星。双星是两颗绕着共同的重心旋转的恒星，人们肉眼可见的天狼星就是双星，其伴星为白矮星。

相对而言，双星系统运动状态稳定，引力波辐射可以导致绕转频率加快，轨道周期变小，如果能测出双星变化周期律与广义相对论中的公式相符，就能间接证实引力波的存在。美国马萨诸塞大学的赫尔斯和泰勒于1974年用射电望远镜发现了第一颗脉冲双星PSR1913+16，并于4年后测定周期变化率，与广义相对论公式给出的理论值不超过1%。两人最终因此成功获得诺贝尔物理学奖。

就在赫尔斯和泰勒探测脉冲双星的同时期，麻省理工学院的雷纳韦斯和马布里休斯实验室的罗伯特佛瓦德分别建造了激光干涉引力波探测器，探测器有两个相互垂直、长度相等的干涉双臂，当有引力波通过时，一臂拉升一臂压缩，光电接收器的光强就会发生变化

因为对引力波探测作出的贡献，雷纳韦斯也获得了今年的诺贝尔物理学奖。而在上世纪90年代，包括美、法、意、德、英、日、澳等多个国家在内，都独立或合作建造了激光干涉引力波探测器，并且组成一个国际观测网络，只要一个观测器收到信号，就能数据共享。

中国人不会缺席

即便建立了观测网络，想要观测到引力波信号也绝非易事。例如去年探测到的引力波信号GW150914，是13亿光年之外两颗黑洞合并最后阶段产生的，相当于29颗太阳与36颗太阳，最后合并成一颗62倍太阳质量高速旋转的黑洞，在信号释放到宇宙空间13亿年后抵达地球。那么，如此巨大星球合并产生的引力波引起了实验仪器怎样的反应呢？实验设备4公里的臂长，改变了相当于质子直径万分之一的长度，相当于太阳与最近恒星之间的距离，改变了一个头发丝的宽度。

那么，观测到这万分之一质子直径的变化，需要多精准的仪器呢？为了排除地震、声波等干扰，引力波信号需要距离很远的两个地方同时检测到才算数。探测到GW150914信号的两个探测站，分别位于美国的华盛顿州和路易斯安纳州，相距3000公里。

各国之所以投入巨资用于引力波探测，是因为引力波对于天文学和物理学研究有重要作用。人们最初了解宇宙的方式，是仰望星空，但是，光并不能穿透一切物质，而引力波则可以几乎不受阻挡地穿过一切天体，遥远恒星的光会被其它介质阻挡，但其产生的引力波不会。这就使得人类了解天体信息的渠道增加了，进一步研究之下，也将对天体物理学和相对论宇宙学产生深远影响。有的科学家甚至认为，引力波的发现如同电磁波一样，在未来产生科技革命也不是没有可能。

在引力波的探测上，中国人也没有缺席。最近一次引力波事件发生时，全球仅有4台X射线和伽马射线望远镜成功监测到爆发天区，而中国的慧眼就是其中一台，而且在四台望远镜里面有效面积和时间分辨率最高。

目前，我国已经启动了由中山大学领衔的天琴计划和中科院高能物理研究所主导的阿里实验计划，前者是去太空捕捉引力波，将分四个阶段约20年实施；后者是在地面探测原初引力波，利用高海拔优势开展北半球首个搜寻原初引力波的望远镜计划。

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