引力波是怎么發(fā)現(xiàn)的_引力波有什么實際意義（引力波對人類的意義） - 全文

　　引力波發(fā)現(xiàn)的時間

　　在2016年2月11日，LIGO科學(xué)合作組織和Virgo合作團隊宣布他們已經(jīng)利用高級LIGO探測器，已經(jīng)首次探測到了來自于雙黑洞合并的引力波信號。

　　引力波的定義

　　雖然科學(xué)家們對引力波的研究有史已久，但對引力波的定義并不明確。至少給人兩種印象。

　　1）引力波是從物體內(nèi)部的質(zhì)量中輻射出來的波。這種波形成了引力場，引力是通過引力波傳遞的，從而導(dǎo)致了引力現(xiàn)象的出現(xiàn)。這種波有點像電磁波那樣是由波源（物質(zhì)質(zhì)量）輻射出來的。這樣的波是微觀的，頻率比較高。從理論上講，這種引力波的產(chǎn)生需要消耗物體（如星體）內(nèi)部的能量。

　　2）引力波是兩個巨大天體之間出現(xiàn)的位置上的相對變化所產(chǎn)生出來的。例如一個脈沖雙星系中的兩個星體互相圍繞對方快速旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生出星體位置上的周期性變化。這種變化所產(chǎn)生出來的周期性引力場強度上的變化也是引力波。這種引力波是宏觀的，頻率都很低。從理論上講，這種引力波的產(chǎn)生并不需要消耗星體內(nèi)部的能量。它在能量上的表現(xiàn)屬于勢能。因為這種波是靠距離的變化產(chǎn)生出來的。

　　引力波是怎么發(fā)現(xiàn)的

　　北京時間11日晚上的美國自然基金會新聞發(fā)布會確認(rèn)，人類首次直接探測到了引力波，這可謂一件全球轟動性科學(xué)事件。

　　在過去的六十年里，有許多物理學(xué)家和天文學(xué)家為證明引力波的存在做出了無數(shù)努力。其中最著名的要數(shù)引力波存在的間接實驗證據(jù)——脈沖雙星PSR1913+16。1974年，美國物理學(xué)家家泰勒（Joseph Taylor）和赫爾斯（Russell Hulse）利用射電望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)了由兩顆質(zhì)量大致與太陽相當(dāng)?shù)闹凶有墙M成的相互旋繞的雙星系統(tǒng)。由于兩顆中子星的其中一顆是脈沖星，利用它的精確的周期性射電脈沖信號，我們可以無比精準(zhǔn)地知道兩顆致密星體在繞其質(zhì)心公轉(zhuǎn)時他們軌道的半長軸以及周期。根據(jù)廣義相對論，當(dāng)兩個致密星體近距離彼此繞旋時，該體系會產(chǎn)生引力輻射。輻射出的引力波帶走能量，所以系統(tǒng)總能量會越來越少，軌道半徑和周期也會變短。

　　泰勒和他的同行在之后的30年時間里面對PSR1913+16做了持續(xù)觀測，觀測結(jié)果精確地按廣義相對論所預(yù)測的那樣：周期變化率為每年減少76.5微秒，半長軸每年縮短3.5米。廣義相對論甚至還可以預(yù)言這個雙星系統(tǒng)將在3億年后合并。這是人類第一次得到引力波存在的間接證據(jù)，是對廣義相對論引力理論的一項重要驗證。泰勒和赫爾斯因此榮獲1993年諾貝爾物理學(xué)獎。

　　在實驗方面，第一個對直接探測引力波作偉大嘗試的人是韋伯（Joseph Weber）。早在上個世紀(jì)50年代，他第一個充滿遠(yuǎn)見地認(rèn)識到，探測引力波并不是沒有可能。從1957年到1959年，韋伯全身心投入在引力波探測方案的設(shè)計中。最終，韋伯選擇了一根長2米，直徑0.5米，重約1噸的圓柱形鋁棒，其側(cè)面指向引力波到來的方向。該類型探測器，被業(yè)內(nèi)稱為共振棒探測器（如下圖）：

　　韋伯的共振幫探測器只有2米，強度為10-21的引力波在這個長度上的應(yīng)變量（2×10-21米）實在太小，對上世紀(jì)五六十年代的物理學(xué)家來說，探測如此之小的長度變化是幾乎不可能的。雖然共振棒探測器沒能最后找到引力波，但是韋伯開創(chuàng)了引力波實驗科學(xué)的先河，在他之后，很多年輕且富有才華的物理學(xué)家投身于引力波實驗科學(xué)中。

　　在韋伯設(shè)計建造共振棒的同時期，有部分物理學(xué)家認(rèn)識到了共振棒的局限性，有一種基于邁克爾遜干涉儀原理的引力波探測方案在那個時代被提出。到了70年代，麻省理工學(xué)院的韋斯（Rainer Weiss）以及馬里布休斯實驗室的佛瓦德（Robert Forward），分別建造了引力波激光干涉儀。到了70年代后期，這些干涉儀已經(jīng)成為共振棒探測器的重要替代者。

　　自20世紀(jì)90年代起，在世界各地，一些大型激光干涉儀引力波探測器開始籌建，引力波探測黃金時代就此拉開了序幕。

　　這些引力波探測器包括：位于美國路易斯安那州利文斯頓臂長為4千米的LIGO（L1）;位于美國華盛頓州漢福德臂長為的4千米的LIGO（H1）;位于意大利比薩附近，臂長為3千米的VIRGO;德國漢諾威臂長為600米的GEO，日本東京國家天文臺臂長為300米的TAMA300。這些探測器在2002年至2011年期間共同進(jìn)行觀測，但并未探測到引力波。在經(jīng)歷重大改造升級之后，兩個高新LIGO探測器于2015年開始作為靈敏度大幅提升的高新探測器網(wǎng)絡(luò)中的先行者進(jìn)行觀測，而高新VIRGO也將于2016年年底開始運行。此外，歐洲的空間引力波項目eLISA和日本的地下干涉儀KAGRA 的研發(fā)與建設(shè)也在緊鑼密鼓地進(jìn)行。

　　引力波有什么實際意義

　　1、這一發(fā)現(xiàn)填補了廣義相對論實驗驗證的最后一塊缺失的拼圖

　　愛因斯坦1916年發(fā)表的廣義相對論預(yù)言了宇宙誕生之初產(chǎn)生的一種時空波動——原初引力波——的存在。過去近百年中，廣義相對論的其他預(yù)言如光線的彎曲、水星的近日點進(jìn)動以及引力紅移效應(yīng)都已獲證實，唯有原初引力波因信號極其微弱，技術(shù)上很難測量，而一直徘徊在天文學(xué)家“視線”之外。劍橋大學(xué)博士、加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的“CITA國家研究員”馬寅哲認(rèn)為，原初引力波的發(fā)現(xiàn)是支持廣義相對論的又一有力證據(jù)，相對論所預(yù)言的所有實驗現(xiàn)象全部被驗證，實驗與理論符合得都很好。

　　2、這一發(fā)現(xiàn)打開了觀測宇宙的一扇新窗戶。

　　在天文學(xué)幾百年來的發(fā)展過程中，人們觀測宇宙的主要手段是觀測光，也就是說幾乎所有天文實驗都是在收集光子。而根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)宇宙大爆炸理論，大爆炸之后約40萬年，光子、電子及其他粒子混在一起，宇宙處于晦暗的迷霧狀態(tài)，光無法穿透。而引力波則不同，它誕生在宇宙大爆炸之初并以光速傳播。從事引力波研究多年的美國亞利桑那州立大學(xué)理論物理學(xué)家勞倫斯·克勞斯認(rèn)為，引力波被測量到，意味著人們可以通過引力波而一直追溯到大爆炸之后僅僅10的負(fù)35方秒的極早時期，同時引力波也可以作為另一種觀測宇宙的手段。引力波天文學(xué)這門新學(xué)科的大門也由此打開。

　　3、這一發(fā)現(xiàn)有助于真正理解宇宙大爆炸原初時刻的物理過程。

　　根據(jù)上世紀(jì)80年代逐漸發(fā)展起來的暴漲理論，140億年前，在大爆炸之后不到10的負(fù)35方秒的時間里，宇宙以指數(shù)速度急劇膨脹，即所謂“暴漲過程”。原初引力波忠實記錄了暴漲時期的物理過程。馬寅哲告訴記者，現(xiàn)在關(guān)于大爆炸原初時刻的理論模型有數(shù)百個，但“到底哪個對，還是都不對，在今天之前是不清楚的。但如果（美國科學(xué)家的）結(jié)果是真的，那么很多理論模型會被排除”。

　　4、這一發(fā)現(xiàn)意味著對宇宙微波背景輻射的測量將會進(jìn)入下一個重要里程碑。

　　宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸的“余燼”，是一種彌漫在整個宇宙空間中的微弱電磁波信號。過去幾十年中，人們測量微波背景輻射，其實主要測量的是溫度場的信息，卻一直沒有測量到引力波的獨特印記——B模式偏振。目前，全球多個小組在探測引力波，新發(fā)現(xiàn)無疑將極大鼓舞他們的士氣，并促進(jìn)有關(guān)國家進(jìn)一步加大科研經(jīng)費和人力資源投入。

　　馬寅哲表示：“此項工作若獲證實，當(dāng)之無愧是諾貝爾獎級的工作。而且在此之后，關(guān)于引力波的諾貝爾獎可能還會再出現(xiàn)。宇宙‘暴漲’理論的提出者也可能獲獎?！笨藙谒挂矊π氯A社記者說，新研究還需要進(jìn)一步驗證，但如果獲得證實，它“可以躋身過去25年最重要的宇宙學(xué)發(fā)現(xiàn)之列”并可能獲得諾貝爾獎。

　　引力波對人類的意義

　　1、理論上，促進(jìn)了人類對宇宙認(rèn)知革命。

　　引力波為我們打開了除電磁輻射（光學(xué)、紅外、射電、X 射線等）、粒子（中微子、宇宙線）之外，一個全新的窗口——我們從未能夠以這樣的方式觀察宇宙。在引力波這個新窗口中，我們不再是以電磁場、物質(zhì)粒子作為觀察宇宙的憑借——我們感受的，是時空本身的顫動！

　　2、確定了黑洞的存在。

　　此前，人類將觀測到的海量的天體物理現(xiàn)象，用黑洞的存在予以完美解釋，但這并不是確定黑洞存在的證據(jù)。直到LIGO團隊雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波的發(fā)現(xiàn)，給出了黑洞確實存在的空前牢靠的證據(jù)。

　　3、加深了人類對時空彎曲、時間旅行的理解。

　　人類對時間旅行的猜測，是基于“宇宙弦理論”，而引力波則被認(rèn)為是宇宙弦釋放能量的主要機制。什么是宇宙弦？有理論認(rèn)為，宇宙早期相變過程中，可能產(chǎn)生極細(xì)卻具有宇宙學(xué)尺度的長度的“宇宙弦”。這些宇宙弦就像耳機線，總有一天會自己打成結(jié)。當(dāng)它們打結(jié)時，結(jié)點會發(fā)生斷裂，并以引力波的形式釋放出能量。而時空旅行，就是宇宙弦打結(jié)能夠產(chǎn)生封閉類時間曲線———這樣或許就可以實現(xiàn)時間旅行。

　　4、有助于人類研究恒星爆炸原理

　　大質(zhì)量恒星生命終點的時候，可能在一場劇烈的超新星爆炸之后塌縮為黑洞或中子星。但我們現(xiàn)在還不知道，超新星具體是如何點燃的。監(jiān)聽超新星爆炸時的引力波波形，與電磁波段的觀測進(jìn)行對比，可以給我們提供檢驗現(xiàn)有模型的更多依據(jù)。

　　5、有助于人類探測宇宙的膨脹速度

　　以前，人類測量宇宙膨脹速度，只有一種標(biāo)準(zhǔn)——Ia 型超新星作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。如今，引力波為我們提供一個獨立的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。通過測量引力波事件的強度，我們能推算出引力波源的距離。如果我們能在電磁波段上找到引力波源所在的星系，就能比較該星系的紅移與引力波源距離之間的關(guān)系——這樣我們就又多了一種測量宇宙膨脹速度的方法。

　　6、同時，引力波的證實也給科學(xué)界帶來了新的探索任務(wù)：引力波是否是以光速傳播？

　　有波就有對應(yīng)的粒子。引力波對應(yīng)假想的引力子。如果引力子像光子一樣，沒有質(zhì)量，那也應(yīng)該以光速傳播，這是經(jīng)典的廣義相對論的預(yù)言。但是也有人表示，如果引力子有一點質(zhì)量，也許有助于解釋宇宙加速膨脹。而如果引力子有質(zhì)量的話，它就會以低于光速前進(jìn)。這樣如果我們能分別觀測到一次高能事件產(chǎn)生的電磁輻射和引力波，看看它們到達(dá)地球有沒有時間差，就能知道引力波是否在光子之后抵達(dá)地球，也就是引力波是否以光速傳播。若是，則再次捍衛(wèi)愛因斯坦的理論;若不是，則又是一個動搖了物理大廈基礎(chǔ)的重要發(fā)現(xiàn)。