編者按：
激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）直接探測(cè)到引力波的新聞發(fā)布會(huì)，吸引了眾多科學(xué)家守候，《知識(shí)分子》第一時(shí)間邀請(qǐng)了麻省理工學(xué)院物理系Pappalardo研究員蘇萌、中山大學(xué)天文與空間科學(xué)研究院院長李淼等對(duì)引力波探測(cè)研究進(jìn)行解讀，同一時(shí)間，科學(xué)家們的朋友圈也因此炸開了。
文 | 李淼、蘇萌、程曜、夏志宏
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李淼：天文學(xué)將進(jìn)入引力波時(shí)代
李淼，中山大學(xué)天文與空間科學(xué)研究院院長，主要研究方向?yàn)橛钪鎸W(xué)、弦論、高能物理
根據(jù)發(fā)表在物理評(píng)論通訊（PRL）2016年2月11號(hào)一期上的論文，《合并雙黑洞系統(tǒng)引力波輻射的觀測(cè)》：2015年9月14號(hào)協(xié)調(diào)世界時(shí)09:50:45 ，LIGO的兩個(gè)引力波探測(cè)器同時(shí)探測(cè)到一個(gè)短暫的引力波信號(hào)，相對(duì)強(qiáng)度為1.0 ×10-21 ，頻率覆蓋35到250赫茲。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，這個(gè)信號(hào)來自于雙黑洞系統(tǒng)的合并。這個(gè)雙黑洞系統(tǒng)距離地球大約為410兆秒差距，也就是大約13億光年（亮度距離）。兩個(gè)黑洞的質(zhì)量分別大約是36個(gè)太陽質(zhì)量和29個(gè)太陽質(zhì)量，其中引力波輻射損失的質(zhì)量大約為3個(gè)太陽質(zhì)量。這個(gè)發(fā)現(xiàn)表明存在太陽質(zhì)量級(jí)別的雙黑洞系統(tǒng)，是人類第一次探測(cè)到引力波，也是人類第一次探測(cè)到雙黑洞合并。
以上基本上是這篇LIGO和Virgo合作論文摘要的翻譯。根據(jù)論文，當(dāng)時(shí)只有美國的LIGO探測(cè)到了引力波信號(hào)，而意大利的Virgo還在升級(jí)中。毫無疑問，這是一項(xiàng)世紀(jì)發(fā)現(xiàn)，證實(shí)了愛因斯坦引力理論的最后一項(xiàng)預(yù)言。
這個(gè)發(fā)現(xiàn)開啟了物理學(xué)的引力波時(shí)代，引力波將從此由理論上的存在變成事實(shí)上的存在。這個(gè)發(fā)現(xiàn)僅僅是人類探測(cè)引力波的開端，因?yàn)檫@個(gè)發(fā)現(xiàn)僅僅限于可能輻射引力波很多種源中的一種，即合并的雙黑洞系統(tǒng)，且處于銀河系外。
這個(gè)發(fā)現(xiàn)將極大促進(jìn)其他引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展。天文學(xué)在21世紀(jì)將進(jìn)入引力波天文學(xué)時(shí)代。
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蘇萌：引力波發(fā)現(xiàn)將打開宇宙研究新篇章
蘇萌，麻省理工學(xué)院物理系Pappalardo研究員，研究興趣高能天體物理學(xué)與宇宙學(xué)，主要集中在宇宙微波背景輻射、暗物質(zhì)探測(cè)與宇宙射線物理學(xué)
探測(cè)引力波難在哪里
我們知道任何相對(duì)論性的引力理論都預(yù)言了引力波的存在，同時(shí)通過對(duì)脈沖雙星的觀測(cè)我們已經(jīng)間接的探測(cè)到了引力波，引力波的直接探測(cè)，尤其是極端天體物理過程產(chǎn)生的引力波，可以說隨著探測(cè)手段的更新、探測(cè)器的升級(jí)換代必然會(huì)發(fā)生的。但是由于引力波信號(hào)極其微弱，一直以來都在不斷挑戰(zhàn)著探測(cè)技術(shù)的研發(fā)和數(shù)據(jù)分析模擬的能力。LIGO-Virgo合作組全面升級(jí)換代后的第二代Advanced LIGO，近千人的合作隊(duì)伍，正是面臨諸多困難下科學(xué)家們多年艱苦努力的寫照。
四種探測(cè)引力波的手段
目前為止，探測(cè)引力波的主要手段有四種，分別針對(duì)不同天體物理與宇宙學(xué)起源的引力波信號(hào)。
首先當(dāng)今的宇宙起源模型認(rèn)為，宇宙大爆炸時(shí)會(huì)發(fā)生宇宙時(shí)空劇烈的暴脹過程(inflation)，由于時(shí)空的劇烈擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)引力波的背景信號(hào)，所謂的原初引力波信號(hào)。這種引力波的波長跟整個(gè)宇宙的尺度差不多大，所以只能通過對(duì)宇宙大爆炸后遺留的光子場(chǎng)的信號(hào)（所謂宇宙微波背景輻射）來尋找原初引力波的信號(hào)。前不久頗具影響的Bicep2實(shí)驗(yàn)正是通過這種方式探測(cè)到了原初引力波的跡象，本可以是實(shí)現(xiàn)首次引力波直接探測(cè)的實(shí)驗(yàn)，可惜后來更多數(shù)據(jù)和儀器的結(jié)果顯示，雖然測(cè)量結(jié)果沒有問題，可是探測(cè)到的卻是我們銀河系自身的信號(hào)，并不是來自于宇宙早期。現(xiàn)在有了更多的望遠(yuǎn)鏡期待首次尋找到原初引力波信號(hào)，包括我國計(jì)劃在西藏阿里天文臺(tái)開展的首個(gè)北半球觀測(cè)項(xiàng)目。
原初引力波是頻率最低的引力波類型，其次是大質(zhì)量黑洞并合時(shí)發(fā)出的引力波，對(duì)應(yīng)的頻率在百萬分之一到億分之一赫茲。這種事件往往發(fā)生在星系與星系相撞的后期。人們想出一個(gè)絕妙的方法去試圖觀測(cè)這種天體物理過程發(fā)出的引力波：利用校準(zhǔn)后的毫秒脈沖星！毫秒脈沖星是自轉(zhuǎn)極快的帶強(qiáng)烈磁場(chǎng)的中子星，顧名思義，這種脈沖可以作為一個(gè)時(shí)鐘——可以達(dá)到原子鐘級(jí)別的精確的時(shí)鐘，若干這樣精確校準(zhǔn)的毫秒脈沖星作為校準(zhǔn)光源，利用地面上的大型地面射電望遠(yuǎn)鏡作為探測(cè)器來觀測(cè)大質(zhì)量黑洞并合時(shí)發(fā)出的引力波。
頻率提升到十萬分之一到一赫茲，對(duì)應(yīng)的信號(hào)來源更為豐富，比如質(zhì)量更小一些的大質(zhì)量黑洞冰河過程的后期，銀河系內(nèi)的白矮雙星，甚至是在宇宙早期所謂“電弱”相變過程可能產(chǎn)生的宇宙學(xué)尺度引力波。探測(cè)的手段也是蠻拼的：空間衛(wèi)星陣列！著名的LISA(光學(xué)干涉空間陣列）作為歐洲空間局批準(zhǔn)的大型空間實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目，將為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)再努力二十年左右。首顆技術(shù)驗(yàn)證星去年年底剛剛上天，目前為止運(yùn)行良好。我國中山大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的雄心勃勃的天琴計(jì)劃是我國正在規(guī)劃的空間探測(cè)引力波實(shí)驗(yàn)。
引力波的高頻段是幾十到幾千赫茲，這就是這次LIGO－Virgo合作組宣布的首次引力波直接探測(cè)的頻段，主要的信號(hào)源是中子星、恒星級(jí)黑洞等致密天體組成的雙星系統(tǒng)。探測(cè)手段就是地面數(shù)公里的激光干涉裝置。四種手段探測(cè)的引力波信號(hào)源不同，科學(xué)目標(biāo)也不同。
引力波研究將打開研究宇宙新篇章
LIGO探測(cè)到引力波，將打開引力波研究宇宙的新篇章。未來的科學(xué)發(fā)展方向大致有三方面：
1，利用發(fā)出引力波的天體物理源研究宇宙學(xué)；
2，通過引力波直接探測(cè)研究黑洞并合成長的過程；
3，研究宇宙早期的極端物理過程，幫助我們了解宇宙的起源、演化中的基礎(chǔ)物理學(xué)原理。
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程曜：不會(huì)很快給諾獎(jiǎng)
程曜，清華大學(xué)工程物理系教授，研究方向?yàn)槲锢?納米元件與引力波探測(cè)
今天熱鬧非凡，總算公布量到引力波了。我對(duì)這件事給點(diǎn)評(píng)論吧！量到的強(qiáng)度
10-21，比靈敏度高，以前的運(yùn)轉(zhuǎn)應(yīng)該可以量到，只是運(yùn)氣不好，信號(hào)當(dāng)然也不如這次清楚。PRL論文最后做了展望，不敢確定將來可以給出波源的方向，而寄望于未來更多的探測(cè)器加入。合并事件殘留的黑洞不算大，不容易觀測(cè)到。所以這次的測(cè)量屬于我們預(yù)測(cè)應(yīng)該量到這樣的信號(hào)，然后真的出現(xiàn)了，我們也沒有能力做事后檢驗(yàn)。我大膽預(yù)言，不會(huì)很快給諾獎(jiǎng)，要等其它探測(cè)器加入，重復(fù)觀察到很多次后，起碼要五年的時(shí)間。
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夏志宏：這是數(shù)學(xué)的勝利
夏志宏， 美國西北大學(xué)教授、數(shù)學(xué)家，研究方向哈密爾頓動(dòng)力系統(tǒng)、天體力學(xué)
人類居然可以在時(shí)空中檢測(cè)只有質(zhì)子萬分之一大小的移動(dòng)，令人驚奇！這應(yīng)該是數(shù)學(xué)的勝利。愛因斯坦提了個(gè)漂亮的數(shù)學(xué)模型，沒想到上帝還真用了。愛因斯坦說，如果上帝不用他的模型，那就太可惜了。
（責(zé)任編輯 陳曉雪）
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