2016开年科学头条：亲历引力波探测

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研究者讲述引力波探测背后的故事：爱因斯坦都会吓一跳
“我们探测到了引力波。我们做到了。”当地时间11日清晨，当美国“激光干涉引力波天文台(LIGO)”执行主任、加州理工学院教授戴维·赖茨在华盛顿宣布这一消息时，挤在美国加州理工学院天文学与天体物理学中心参加同步新闻发布会的上百名科研人员沸腾了。

长久的欢呼、掌声和泪水……难怪科研人员这么激动，依照科学家的说法，人类探测到引力波，如同一个失聪的人突然获得听觉，从此获得感知世界的新能力。


1916年6月，爱因斯坦预测了宇宙中的涟漪。  本文图片均来自网络

这一天，距爱因斯坦预测引力波存在已有百年。

“我相信爱因斯坦看到今天的结果，一定也会吓一跳，”LIGO科学合作组织研究成员之一、加州理工学院物理学教授陈雁北当天接受新华社记者采访时说，“尽管他会因自己在广义相对论、量子力学、激光等多个领域的贡献感到欣慰，但百年来物理学已获得前所未有的发展。对于人类今天的成就，爱因斯坦一定无法想象。”

2015年9月14日星期一，升级版LIGO探测器刚刚开始运行，来自意大利的博士后马尔科·德拉戈什便收到搜索引力波信号程序的提示，这个提示他几乎每天都会收到。然而，这次却有些不同。两个LIGO探测器均探测到3分钟前、在当地时间上午11时50分45秒抵达的一个强度指数高达24的信号，而通常这种信号强度只有10。


1974年首次发现了脉冲双星PSR B1913+16，这个星体由2个在近距离轨道里相互缠绕的中子星组成，而且以爱因斯坦预测的速度螺旋式向内靠拢——似乎引力波带走了能量。

一个小时后，参与该项目的全球相关研究人员都收到了德拉戈什的问询电子邮件——是否有人注入了这一信号。

然而，这一貌似普通的邮件并未引起大多数科研人员的注意。此前一些类似“假消息”的出现，让多数研究者没把这封邮件当回事儿。一名不愿透露姓名的科学家有点不好意思地告诉记者，他每天都能收到好几百封与LIGO探测器有关的邮件，因此在接到这封邮件后，他直接就将其拖入了“垃圾箱”。

LIGO原型机实验室专家埃里克·金特罗对新华社记者回忆自己得知引力波可能被探测到的经历时说：“我们被告知不得声张，我甚至没有告诉家人，其实直到今天我们还没有好好庆祝，我只是在当时偷偷攥了下拳头，对自己说‘YES’。”

除了时常出现的无价值信息以外，“盲注”也是让人不敢轻信此次引力波信号的原因。参与LIGO项目的澳大利亚墨尔本大学研究员孙翎告诉记者，在LIGO的正式运行中，有研究团队会做“盲注”操作，就是偷偷加入一些模拟的引力波信号，让其他研究者在不知有信号注入的情况下客观检验探测的准确性。

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2014年3月17日，科学家们曾宣布他们发现了原初引力波的证据。

LIGO数据分析负责人之一、加州理工学院物理系教授艾伦·魏因施泰因告诉新华社记者，得到引力波可能出现的信号时，他们的心情通常是矛盾的，一面会想“诺贝尔奖来了？”又会想“恐怕又是盲注，还是睡会儿吧”。

魏因施泰因回忆起5年前自己与一些科研人员聚集在加利福尼亚州帕萨迪纳的酒吧内，讨论可能探测到引力波的情景。但最终证实，那只是一次盲注试验。

太多次“打击”，让魏因施泰因在去年9月14日深夜收到德拉戈什的邮件时，本能地感到难以置信。

在随后获悉没有研究人员进行盲注试验后，魏因施泰因检查了几千个数据信道，且仍不断自我质疑。


位于南极的观测点。

在接下来的日子里，疑似靠谱的引力波信号让LIGO科学合作组织的1000多名科研人员忙坏了，在全球分布的多个超级计算机开足马力，进行大量数据验证。

一些科学家开始忍不住了，美国亚利桑那州立大学的物理学家劳伦斯·克劳斯今年1月在社交网站推特上发布消息，称LIGO探测器发现了引力波，不少媒体也开始发布消息。甚至将来论文发表在哪本杂志上也引发热议。

与此同时，不少科学家颇有微词：数据验证完成前不该轻易发布消息，类似行为缺乏严谨的科学态度。但从另一个侧面可以看出，人们等这一天真的太久了。

2015年10月12日，另一个疑似揭示引力波的信号出现，它被编号为LVT151012。由于这一发现再次发生在周一，圈内人士将其称为“第二次周一事件”。不少人打趣说，看来引力波只发生在周一。不过，那只是个小小的信号，科学家认为尚不足以称其为引力波信号。


激光干涉引力波天文台工作人员正在工作。  视觉中国 图

但这一信号并非不重要，陈雁北告诉记者，从统计学角度来说，引力波不可能是一个极其罕见的事件，尽管小信号LVT151012还属于疑似状态，但增加了先前信号的可信度。

最终，翻来覆去把大量数据分析了多遍之后，科研人员“说服”了自己，并向全世界宣布了研究结果。

爱因斯坦百年前预言引力波存在，但也曾认为，由于引力波太过微弱，它无法被探测到。孙翎对记者说：“我们证明了爱因斯坦的正确，另一方面他也说错了，我们真的探测到了。”

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霍金：引力波提供了看待宇宙的崭新方式

一旦我们发现了宇宙大爆炸时期的引力波，就可以揭开宇宙的各种谜团，甚至了解宇宙的开端和运行机制。
中新网2月12日电 综合外媒报道，美国科研人员11日宣布，他们利用激光干涉引力波天文台(LIGO)于去年9月首次探测到引力波，证实了爱因斯坦100年前所做的预测，同为黑洞专家的英国天文物理学大师霍金表示，他相信这是科学史上重要的一刻。

霍金(Stephen Hawking)在接受英国广播公司(BBC)专访时表示：“引力波提供看待宇宙的崭新方式，发现它们的能力，有可能使天文学起革命性的变化。这项发现是首度发现黑洞的二元系统，是首度观察到黑洞融合。”

“除了检验(爱因斯坦的)广义相对论，我们可以期待透过宇宙史看到黑洞。我们甚至可以看到宇宙大爆炸时期初期宇宙的遗迹、看到其一些最大的能量。”霍金说。

研究人员宣布，当两个黑洞于约13亿年前碰撞，两个巨大质量结合所传送出的扰动，于2015年9月14日抵达地球，被地球上的精密仪器侦测到。

资助这项研究的美国国家科学基金会(US National Science Foundation)负责人柯多瓦(France Cordova)表示，“如同伽利略首度把他的望眼镜指向天空，这项对天空的新观测，将会加深我们对宇宙的理解，引发超乎预料的发现。”

这个现象由两个设在美国的地下探测装置观测到，此装置主要用来侦测引力波的微小震动，这项观测计划的名称是Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，简称LIGO。

科学家花费数个月时间验证数据并通过审查程序，才宣布这个讯息，标志着全球各地研究团队数十年努力的最高潮。

柯多瓦说：“LIGO迎来天体物理学全新领域的诞生。”

美国科研人员11日宣布，他们利用激光干涉引力波天文台(LIGO)于去年9月首次探测到引力波，证实了爱因斯坦100年前所做的预测。  视觉中国 图

爱因斯坦1916年左右在广义相对论中提出引力波理论，认为聚集成团的物质或能量的形状或速度突然改变时，会改变附近的时空状态，效应就像涟漪以光速在宇宙传播。

引力波以光速传递，无法加以阻挡或阻挠。由于引力波产生的时空扭曲非常微小，在此之前科学家从未成功观测到。

过去数十年来许多跨国科学团队都致力于找寻引力波存在证据，但引力波对于附近时空的冲击因距离地球太远，弱不可见，加深观测的难度。以地球和4.3光年之外的半人马座α为例，被引力波扭曲的太空可能只有一根头发般的变化。

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全新天文时代开启，为何人类要寻找引力波？

澎湃新闻记者 徐明徽

全新天文时代开启，为何人类要寻找引力波？

澎湃新闻记者 徐明徽

2016-02-12 09:36 来自 文化课

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美国国家科学基金宣布发现引力波现场。

100年前，预测引力波的爱因斯坦或许都无法想象人类可以直接观测到引力波。引力波探测的成功，为人类观察宇宙提供了一个崭新的窗口。它将帮助我们验证1916年爱因斯坦提出的广义相对论，这意味着时空是可以扭曲的。而找到引力波就意味着打开了全新的宇宙观察视野。天文学在21世纪将进入引力波天文学时代。

困扰世界的百年物理谜题终于解开，这是一个将被历史铭记的时刻。北京时间2月11日23∶30分美国国家自然科学基金会携加州理工、麻省理工和LIGO科学合作组织（LSC）的专家向全世界宣布：美国的LIGO（激光干涉引力波观测站）首次直接探测到了引力波。

相关论文，以《合并双黑洞系统引力波辐射的观测》（Observation of Gravitaiton Waves from a Binary Black Hole Merger）为题，在《物理评论通讯》（Physical Review Letters）上发表。

2015年9月14日协调世界时09∶50∶45，LIGO的引力波探测器同时探测到一个短暂的引力波信号。根据爱因斯坦的广义相对论，这个信号来自双黑洞系统的合并。该双黑洞系统距离地球大约13亿光年。两个黑洞的质量分别是36个太阳质量和29个太阳质量，其中引力波辐射损失的质量大约为3个太阳质量。

简而言之就是，3个太阳的质量，变成能量被引力波带走了，传播速度跟光速一致。这是人类第一次探测到引力波，也是人类第一次探测到双黑洞合并。

100年前，爱因斯坦预测引力波时恐怕都不曾想到人类能够真正观测到引力波。毫无疑问，这是一项世纪发现，证实了爱因斯坦引力理论的最后一项预言。引力波从此由理论上的存在变成事实上的存在。

这个发现开启了物理学的引力波时代，而这仅仅是人类探测引力波的开端，下一步还将期待双中子星、黑洞中子星碰撞的发现，天文学在21世纪将进入引力波天文学时代。

引力波是什么？

引力波示意图。

引力波就像时空结构中的涟漪，如果把空间想象成一块巨大的橡胶膜，那些有质量的物体就会让橡胶膜弯曲，就像我们站在蹦床上时引起床垫变形一样。质量越大，空间被弯曲得越厉害。

比如地球围绕太阳转动的原因就是因为太阳非常重，导致太阳周围空间出现巨大变形，如果试图在巨大的变形周围以直线运动，你会发现其实是在沿着一个圆运动，这就是轨道运转。并没有实际的力拉着行星运转，仅仅是因为空间的弯曲。

只要有质量的物体加速，改变了空间形状，引力波就产生了，你可以想象湖面的涟漪。当高密度、大质量的物体在宇宙里加速——比如黑洞或者中子星——它们会在时空的垫子上泛起涟漪。这些波纹携带着大质量物体的引力辐射，在广阔的宇宙中传播。激光干涉引力波观测站的存在就是为了捕捉这种微弱的波动。

1915年，爱因斯坦发表广义相对论论文，革新了自牛顿以来的引力观和时空观，创造性地论证了引力的本质是时空几何在物质影响下的弯曲。1916年爱因斯坦在广义相对论的框架内，又发表论文论证了引力的作用以波动的形式传播。

为什么我们要寻找引力波？

两个正在旋转合并的黑洞模拟图。

最直接的答案是，它将帮助我们验证1916年爱因斯坦提出的广义相对论，这意味着时空是可以扭曲的。

广义相对论中预言的引力波也可以产生于宇宙大爆炸中，这就是说大爆炸之初的引力波在137亿年后的今天仍然可以探测到。一旦我们发现了宇宙大爆炸时期的引力波，就可以揭开宇宙的各种谜团，甚至了解整个宇宙的起源和运行机制。

在宇宙中，强引力场天体非常之多，比如超大质量黑洞合并，脉冲星自转、超新星爆发等都是引力波的强有力来源。找到引力波就意味着打开了全新的宇宙观察视野：可以为我们展示引力的最强状态，比如黑洞；能够让我们看到物质密度最大时的样子，比如中子星；还能揭示出星系大爆炸的新信息，比如超新星爆发，黑洞和中子星的融合。

如何探测引力波？

位于华盛顿州汉福德的干涉仪。

引力波无法通过电磁辐射直接观测，其与宇宙中物质的相互作用是极为微弱，故而爱因斯坦都认为引力波在任何能想象的情况下都可以忽略。

1990年代初，美国物理学家Rainer·Weiss领导的LIGO项目得到了美国国家科学基金的资助，在美国的华盛顿州和路易斯安那州分别建造一个干涉仪，呈现L形排列，利用迈克耳逊干涉仪原理进行测量引力波。

L形测量臂很长，达到4公里，两个测量臂垂直排列，两端各有反射镜面。科学家认为激光在测量反射臂上来回反射，如果干涉条纹发生了变化，就说明探测到了引力波事件。2005年之后，激光干涉引力波天文台再次进行了升级，使用更高功率的激光器和避震措施，降低误差。

论文表明此次激光干涉引力波观测站的两个干涉仪探测结果一致，引力波传播速度为光速，来自于两个黑洞的融合。这次探测信号强度很高，达到5.1西格玛（超过5西格玛信号定义为比较确定的发现），黑洞质量分别为36和29个太阳质量，合并后为62个太阳质量。他们甚至探测到了并合以后的振铃 (ring-down) 信号，它最终变成了一个克尔黑洞 (Kerr)。

位于路易斯安那州的干涉仪。

在两个黑洞相互接近绕转的过程中，根据广义相对论的数学物理推导，这是一个随时间变化的四极矩，因此会不断朝外辐射引力波，而引力波的辐射会把两个黑洞之间的引力势能降低，所以两个黑洞的距离会变小。随着两个黑洞的距离变小，它们之间相互绕转的频率会变得更快，最终两个黑洞碰撞并合在了一起，这一过程会放出大量的引力波能量。

这一辐射的能量有多大，通过爱因斯坦的著名质能方程E=MC²计算可知，这相当于数以亿亿亿亿计的原子弹同时爆炸，其威力相当惊人，整个空间都在颤动。这一颤动也在13亿年后传到了地球——这就是目前LIGO探测到的引力波。

在这个让物理学家50年来望眼欲穿的、持续时间不到一秒钟的事件中，4对在真空中相距4公里的40千克的玻璃镜子的距离，以原子核尺寸千分之一大小的振幅振动了十几次。这样微乎其微的振动，被打在这些镜子上的100千瓦的激光读出，让人类第一次“近距离的接触”了黑洞，观察到了黑洞附近时间和空间的高度扭曲和脉动。

激光干涉引力波观测站两个干涉仪收到的引力波信号数据波形。

引力波探测的成功，为人类观察宇宙提供了一个崭新的窗口。可以预计，未来更多的双黑洞时间，会让我们更清晰地了解黑洞附近的时空几何，更令人期待的是，一些未知源的引力波也可能被探测到。