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陈新光:引力波发现与基础科学研究
陈新光
02月18日

2015年2月11日,来自美国加州理工学院、麻省理工学院以及激光干涉仪引力波观测台的科学家在华盛顿举行记者会,"激光干涉仪引力波观测台"(LIGO)执行主任戴维·赖茨上宣布,国际科学家首次探测到被科学界期待已久的、由爱因斯坦提出的引力波的存在。即爱因斯坦于一个世纪前预测的时空涟漪,这是物理学和天文学界的划时代发现。世界著名黑洞专家、英国天文物理学霍金表示,引力波被探测这是世界科学史上重要的一刻,引力波提供了看待宇宙的崭新方式。连日来,"引力波"这三个字震荡了全世界,刷爆了许多朋友的微信圈。沉浸在传统佳节的中国,由此也掀起了一轮崇尚科学的热情,激发了对浩渺宇宙的奇妙想象与对探索宇宙规律的向往。

为什么发现引力波如此重要

引力波是指在空间--时间组织中发生的微小波动,我们每时每刻都感知到重力--也就是引力的存在。所谓引力波是黑洞之类质量非常大的天体在剧烈运动时扰动周围的时空,扭曲的时空波动如波纹一样向外传播的现象。设想一下,宇宙如同一张蹦床。如果我们向宇宙中丢入一根羽毛,什么也不会发生。但是如果我们丢入一个篮球,这个组织就会在重量之下发生弯曲变形,而且篮球越大,变形的幅度也就越大。用爱因斯坦的广义相对论说,由于物质的存在,空间和时间会发生弯曲。但是,这种波动和变形并非永远留在物体附近,而是有可能通过宇宙向外传播,所以引力可以用时空弯曲来解释,就像地震产生的地震波,这就是引力波,不同于地震波的是,引力波可以以光速在空荡荡的空间中旅行穿梭。

100年前,爱因斯坦在提出广义相对论时,就预见到了引力波的存在,但同时他又认为引力波本身十分微弱,因此几乎不可能被发现。从那时起,全世界的科学家都在试图与引力波来一场"不期而遇"。爱因斯坦的这一理论被提出后,众多物理学家都在努力寻找引力波存在的证据。但是引力波,在从广义相对论发明至今的近一百年里,却一直没有被直接探测到。然而,受时代所限,早年间的科学家没有足够的技术手段来进行观测。发现引力波在科学史意义重大,这有助于探测到宇宙中发生的爆炸性大事件,比如黑洞融合、中子星事件、超新星爆炸,甚至是138亿年前导致宇宙诞生的大爆炸。此外,引力波的出现有可能促使天文学进入新的时代,它携带着不同于光和电磁辐射等方式传递过来的有关遥远天体的信息。引力波是由运动中的物质创造的。但是,引力波是自然界四种基本的相互作用,即万有引力作用、电磁力、强相互作用和弱相互作用最弱的,因此它产生的波动极其微弱。物理学家认为,其振幅之小至多相当于一个质子直径的千分之一。如此小力量的波动只能由处在高速运动中的庞大体系来引发,比如处在轨道上的即将合二为一的两个黑洞。由于这样的体系十分罕见,与我们的距离要以光年计算,所以对引力波的搜寻一直瞄准的是来自宇宙深处的能量最强大的天体系统所产生的微小影响。

LIGO如何发现引力波

"LIGO"是由美国科学基金赞助、加州理工学院与麻省理工学院牵头主持、全球950位科学家参与。LIGO即"激光干涉仪引力波观测台",这是由两个孪生探测器组成,这两个引力波探测器分别位于美国路易斯安那州利文斯顿和华盛顿州汉福德,之所以要相隔3000公里修建两套一样的观测装置,是为了便于科学家比对引力波的方向以及时间节点。它们的任务是搜集通过引力波传送到地球的微小时空运动。每个探测器都有长达4公里的呈L形的测量臂。如果一股引力波通过探测系统,它通过激光束的距离会发生微小的变化。如果LIGO捕捉到了这种差异,便表明探测到了引力波。由于具备两个孪生装置,LIGO可以最大限度地排除地面干扰,比如交通或地震产生的干扰。引力波探测器世界各地都有,包括位于意大利的"先进的处女座"引力波探测器、德国的GEO引力波探测器和日本的TAMA引力波探测器等。在这之前,难道没有发现过引力波吗?LIGO首次观测引力波是在上世纪70年代,其研究成果刊发于《物理评论快报》。2014年3月,美国哈佛--史密森天体物理学中心的物理学家就曾宣布首次探测到来自宇宙大爆炸的引力波。然而,时隔不久对这一发现的质疑和否认之声便纷纷出现。科学研究人员通过欧洲航天局"普朗克"号探测器和位于南极的BICEP2望远镜的数据进行整体分析后证实,并没有结论性证据支持这一发现。

改变这一游戏规则的理论认为,质量使时空弯曲,就像把一个保龄球放到一个蹦床上的效果。蹦床表面上的其他物体会"跌"向中心--这是对引力的一个比喻,时空就是那个蹦床。当这些物体加速时,它们沿着弯曲的时空构造以光速发出涟漪--物体质量越大,引力波越大,也越容易被发现。此时,如果用高速摄影机观测并回放慢镜头,会发现这一扩散过程是以波动的形式进行的。就好像平静的水面上投一枚石子,会产生一圈圈的涟漪。这就是引力波。引力波不与物质相互作用,能够畅通无阻地在宇宙中穿梭。最强的波产生于宇宙中变化最剧烈的过程--两个黑洞的碰撞,大质量恒星爆炸,或者约138亿年前宇宙的诞生。国际研究人员激动人心的宣布,当两个黑洞于约13亿年前碰撞,两个巨大质量天体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。首次探测到引力波进一步佐证了解释引力与时空现象的相对论的正确性,有望实现对光及其他电磁波探测不到的天体以及宇宙诞生之初形态的观测研究。这是一项诺贝尔奖级别的重大发现,标志着人类向破解宇宙诞生奥秘前进了一大步。

引力波打开观察宇宙新视角

引力波被探测将是科学领域的一个里程碑,它将开辟一种全新的观察宇宙的方式,并解开有关宇宙早期以及黑洞、中子星等神秘物体的秘密。英国著名物理学家霍金指出,引力波是宇宙大灾变留下的痕迹,它的发现首次证明了双黑洞系统的存在,也是首次观察到黑洞融合。探测引力波的能力有可能对天文学产生革命性的影响,其重要意义绝不亚于希格斯玻色子的发现。为什么探测到引力波非常重要?因为找到引力波的证据将结束对爱因斯坦理论的一个关键预测的探寻,爱因斯坦的理论改变了人们对于时空等概念的基本认识。假如引力波能够被探测到,这将为天文学打开一片激动人心的新天地--能够根据遥远的星体、星系和黑洞所产生的波来对它们进行测量。最难探测到的所谓的原始引力波将推进另一个重要的宇宙学理论,即宇宙诞生之初的"膨胀"或者指数式扩张。爱因斯坦理论认为,原始波至今仍在宇宙中回响,尽管非常微弱。如果能够找到它们,我们就能得知膨胀时期的能量规模,从而更好地认识大爆炸本身。对于"为什么它们如此难找"这个问题,国际研究专家表示,连爱因斯坦本人都怀疑引力波是否能被找到,因为它们实在太微小了。

发现引力波的更为重要的意义,不仅标志着爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的"拼图"被填补,更为重要的是标志着宇宙研究新时代的开始:引力波天文学的到来。引力波天文学与普通天文学存在本质上的不同。因为基于光的天文学无法在遥远的距离之外如此轻松地观察到成对的脉冲星或黑洞。目前,天文学家依赖于计算机模型来预测碰撞发生的频率,但是LIGO将能够告诉我们这些模型是否正确。不过这仅仅是个开端。欧洲规模相仿的引力波观测台(它正在进行与LIGO类似的升级)以及日本的"神乐"探测计划将提供另外两个观测项目,从而组成一个全球引力波网络。有关基于太空的探测装置的计划正在筹备之中,该探测装置可以"听到"LIGO和其他位于地球上的观测台所无法探测到的频率--包括那些可能是宇宙刚刚诞生时发出的频率。但是这些都将在未来才能成为现实,而今天我们可以尽情享受最初的探测,因为这可能会揭示星系、恒星和引力的演变。最终,我们或许可以观测到来自宇宙大爆炸的引力波,这将让我们超越目前对于物理学理解的极限。

人类每一次重大的自然发现、科学突破和观测新工具的诞生,都是认知世界的扩展,对世界了解深度和广度的开拓。就像科学家所描述的那样:500多年前人们用自己的远洋冒险发现新大陆,400多年前光学望远镜发明后,人类发现自己生活在太阳系,随后的电磁波、中微子信号,让人类的视野能够脱离银河系乃至到达宇宙边缘。今天,引力波的发现,则让人类不仅能看宇宙,也能听宇宙,"打开了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口"。而伴随着每一次新的视界的打开,人类的世界观、宇宙观得以更新。

基础科学研究具有革命性意义

这一次,通过LIGO(激光干涉引力波天文台),人类首次直接探测到引力波,从而"发现和记录了一个关于大自然的、迄今未被发现的基本事实",验证了"爱因斯坦是正确的"。选择方向,设计实验方案,长达几十年的"等待"……不得不说,这是一次科学眼光和科学耐心的胜利。也让人们再一次见识到科学研究尤其是基础科学中时常演绎的悖论:"它是辛苦的、严谨的和缓慢的,又是震撼性的、革命性的和催化性的。"引力波的发现犹如一场科学的心跳,源于一个来自宇宙深处的、久远而微弱的信号,被这个蓝色星球上的人们捕捉到了。有人设想如果爱因斯坦听到广义相对论发布100年后引力波被探测到,也会为此欣喜若狂,他会和参与这一历史性发现的科学家们逐一握手,向他们的坚持和耐心表达钦佩,并且愉快地收回他的那句预言:"这些数值是如此微小,它们不会对任何的东西产生显著的作用,没人能够去测量它们。"

在LIGO科学合作组织宣布成功消息后,麻省理工学院校长随后发表致全校的信,分享这一重大发现的喜悦。他在信中强调基础科学的力量:"基础科学(研究)是艰苦的、严谨而且缓慢的;但同时它也是令人激动的、具有革命性以及催化作用的。没有基础课学,那么即使是最好的猜想也永远无法改进,所谓的"创新"也只能是做无用功。随着基础科学的进步,社会也在进步。"透过"引力波",人们对"基础科学艰辛而美丽"有了真切的认知,科学工作者们对如何推动创新有了深切的思考。

引力波的存在性,在广义相对论提出之后,在上个世纪40年代就曾受到不少物理学家的质疑,大部分的物理学家认为,引力波如此微弱,是不可能探测到的。第一个对直接探测引力波作为伟大尝试的人是约瑟夫·韦伯,早在上个世纪50年代,他第一个充满远见地认识到,探测引力波不是没有可能。从1957年到1959年,韦伯全身心投入在引力波探测方案的设计中。最终,韦伯选择了一根长2m、半径0.5m、重约1吨的圆柱形铝棒,其侧面指向引力波到来的方向,被业内称为共振棒探测器,由此开创了引力波实验科学的先河,在他之后,很多年轻又富有才华的物理学家投身于引力波实验科学中。几十年的努力却没有探寻到结果,的确很让人绝望。据说LIGO科学合作组织即引力波天文台项目的领头人,2012年他曾在北京大学做学术报告时发表感慨:"有时候我在床上躺在老婆旁边,就在想,过去的20多年我花了国家几十亿美元,却没有测到引力波。为什么我还好好地活在这里?真应该自杀去!"二十多年的努力却没有探寻到结果,的确很让人绝望。连对引力波的探索具有极大兴趣、也是世界上最知名的科学家斯蒂芬·霍金,也一度对探寻无果感到沮丧,曾经还声称其实宇宙中并不存在黑洞,我们应该称黑洞为"灰洞"。

不过,科学家们始终坚持不懈,是因为他们对科学的信念和坚持,比起黑洞相撞激起的涟漪,更具有穿越时空的力量。1974年,普林斯顿大学的拉塞尔·赫尔斯教授在他博士最后一年写论文的时段,跑到康奈尔大学的阿雷西博天文台做访问学者,其间与约瑟夫·泰勒教授合作做了大量关于脉冲星的研究,并在其中发现了脉冲双星PSRB1913+16。通过对其长期的观测和深入研究,他们发现双星之间的距离在以每天7.42mm左右的速度缩短,且周期在缓慢地衰减,说明能量在耗散。而能量的耗散,与这个双星系统轨道周期的变化与引力波辐射损耗的预言相吻合,从而间接证明了引力波的存在,两人也因此获得1993年的诺贝尔物理学奖。

这一次的引力波探测成果,更像是两代科学家穿越时空的联手,为人类开启了一场新的探索旅程,而接收和传承这种来自人类自身的"引力波",对只有30多亿年的地球生命史和几百万年的人类史,更具有生命和梦想绵延不绝的实际意义。不禁使人想起马克思的至理名言:"在科学上没有平坦的大道,只有不畏劳苦沿着陡峭山路攀登的人,才有希望达到光辉的顶点。"确实,追求真理的科学之路是条崎岖之路,是条充满艰难险阻、披荆斩棘之路。在步入科学的道路上,总是充满了感性与理性的斗争,谬论与真理的较量,乃至于自身惰性的束缚、病痛的折磨、世俗的妒忌与阻挠。在这条道路上总伴随着兴趣、好奇心、怀疑和叛逆精神、冒险、坚韧,经历着心甘情愿的付出与忍耐,艰苦和孤独。它不仅要有的渊博的学识,崇高的"爱智"精神,更要有坚忍不拔的意志品质。正是如此,人类用自己的智慧与坚韧,一次又一次战胜自我,征服自然,一层一层地剥开宇宙万物本质的外壳,最终进入到自然奥妙的核心,获取了巨大的科学成功,产生了一位又一位科学巨匠。

中国引力波探测奋起直追

美国"激光干涉引力波天文台(LIGO)"第一次直接探测到引力波,证实了爱因斯坦引力理论的最后一项预言,震动世界。引力波探测为人类开启了宇宙观测的全新窗口,人们都在关心和期待中国科学家将在其中如何作为。LIGO的发现让我国科学家对中国引力波研究充满期待,虽然中国目前在国际引力波探测领域,中国的影响几乎为零。希望借此机会更大推动国内引力波研究的发展。中国作为一个大国,这个领域不能是空白,必须抓紧,创新而不是跟踪,作出我们应有的贡献。目前,原初引力波仍未被测出,可见探索的领域和国际合作的空间依然很大。

实际上,早在上世纪70年代,中国科学家就开始了引力波研究,但由于种种原因停滞了十几年,造成了人才断层。直到2008年,在中科院力学所国家微重力实验室胡文瑞院士的推动下,中国的引力波研究才再度开启。据中科院高能物理研究所所长王贻芳院士介绍,目前中国的引力波研究主要有两个方向和建设两大引力波探测项目:一个是由中科院高能所主导的"阿里实验计划",主要是目标是在地面探测原初引力波;另一个是由中山大学领衔的"天琴计划",是到太空捕捉引力波。可以说这是两个完全不同的研究方向和科学目标。

由于原初引力波太微弱,所以要选各种干扰尽量少的区域。目前,科学家在全球共选出了4个最佳观测点,南半球是南极和智利阿塔卡马沙漠,而北半球则在格陵兰岛和我国西藏阿里。据介绍,中科院国家天文台在阿里建设的观测站位于阿里地区狮泉河镇以南约20公里处,海拔5100米的山脊。这里海拔高、云量少、水汽低、透明度高,同时具备望远镜建设与运行基础的台址,提供了北半球最好的观测台址。阿塔卡马沙漠和阿里都处于中纬度,扫过的天区面积比高纬度地区要大很多,未来阿里将成为北半球天区第一个地面观测点,开启北天区原初引力波观测的新窗口,与南半球相呼应。由于国内引力波研究基础薄弱,所以阿里计划将通过国际合作来实施,引进国际团队,同时中国也参与国际在南美的实验,以此快速提升我们自己的研究能力,加之阿里项目造价小,周期短,可望约5年内出成果。据透露,目前美国哈佛大学、麻省理工学院、芝加哥大学等都表示出积极合作意愿,中美有关方面已经签署了相关合作协议。

"天琴计划"主要将分四阶段实施:第一阶段完成月球/卫星激光测距系统、大型激光陀螺仪等天琴计划地面辅助设施;第二阶段完成无拖曳控制、星载激光干涉仪等关键技术验证,以及空间等效原理实验检验;第三阶段完成高精度惯性传感、星间激光测距等关键技术验证,以及全球重力场测量;第四阶段完成所有空间引力波探测所需的关键技术,发射三颗地球高轨卫星进行引力波探测。据了解,完成全部四个子计划,大约需要20年的时间,投资大约150亿元人民币。目前,"天琴计划"的部分地面基础设施已经在中山大学珠海校区启动,正在建造的有山洞超静实验室和激光测距地面台站。

来自13亿年前遥远宇宙的引力波细微到难以捕捉,能用长达40年的时间去验证100年前的科学理论,LIGO的发现证明了引力波的存在,不得不赞叹人类的伟大。从中国的发展战略来讲,引力波这一探索宇宙的全新窗口,正是我国发展基础科学的重要机遇期。中国科学家可以满怀信心地去寻找不同波段的引力波,就像不同波段的电磁波谱一样,如果能够探测到原初引力波将是下一个引力波领域、宇宙学、高能物理的重大突破。这将不仅是中国对物理界和天文界的巨大贡献,也是对人类科学发展的巨大贡献。

中国社会科学院-上海市人民政府上海研究院研究员、上海市统计学会副会长、全球化智库(CCG)特邀研究员。
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