美國科學家宣佈首次探測到引力波

2016年2月11日(農曆2016年1月4日)，美國科學家宣佈首次探測到引力波。美國科學家宣佈首次探測到引力波愛因斯坦又對了!在這位大科學家提出引力波的預言百年之後，美國當地時間2016年2月11日上午10點30分(北京時間2月11日23點30分)，美國國家科學基金會(NSF)召集了來自加州理工學院、麻省理工學院以及LIGO科學合作組織的科學家在華盛頓特區國家媒體中心宣佈：人類首次直接探測到了引力波!這是人類第一次能夠“聽”到宇宙的“聲音”。引力波是愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最後一塊缺失的“拼圖”，它的發現是物理學界里程碑式的重大成果。我們能夠“聽見”宇宙了“女士們、先生們，我們已經探測到引力波，我們找到它了。”美國“鐳射干涉引力波天文臺”(LIGO)執行主任戴維·賴茨當天在華盛頓舉行的記者會上宣佈。在一片嘈雜的背景噪音中，一聲“噗”的清脆聲響，如水滴落水，持續時間短暫得不到1秒，這正是由引力波轉化成的宇宙之聲。當天召開的記者會上，LIGO科學家現場播放了來自宇宙的“聲音”。“我們能夠‘聽見’引力波，我們能夠‘聽見’宇宙，這是引力波最美妙的事件之一。我們將不僅‘看見’宇宙，我們還將‘傾聽’它，”LIGO專案組發言人、路易斯安那州立大學物理學家加布裡埃拉·岡薩雷斯在記者會上介紹。來自加州理工學院的賴茨把尋找引力波比作科學上的登月專案。“我們做到了，我們登上了這個‘月球’。”他興奮地重複道。參與記者會的還有麻省理工學院的研究人員及資助研究的美國國家科學基金會人員。引力波訊號由黑洞合併產生引力波是一種時空漣漪，如同石頭被丟進水裡產生的波紋。黑洞、中子星等天體在碰撞過程中有可能產生引力波。100年前，愛因斯坦的廣義相對論預言了引力波的存在。廣義相對論的其他預言如光線的彎曲、水星近日點進動以及引力紅移效應都已獲證實，唯有引力波一直徘徊在科學家的“視線”之外。上世紀70年代，曾有美國科學家在觀測雙星系統的過程中，發現引力波存在的間接證據，並因此獲得1993年諾貝爾物理學獎。在將於《物理學評論通訊》雜誌發表的新研究中，科學家探測到的是由黑洞合併產生的一個時間極短的引力波訊號，持續不到1秒。它經過13億年的漫長旅行，於2015年9月14日抵達地球，被剛改造升級的LIGO的兩個探測器以7毫秒的時間差先後捕捉到。據研究人員估計，兩個黑洞合併前的質量分別相當於36個和29個太陽質量，合併後的總質量是62個太陽質量，3個太陽質量的能量以引力波的形式在不到1秒的時間內釋放，釋放的峰值能量比整個可見宇宙釋放的能量還要高出約50倍。開啟觀測宇宙的新視窗LIGO是美國分別在路易斯安那州利文斯頓市與華盛頓州小城漢福德市建造的兩個引力波探測器，改造升級後其探測靈敏度大幅提高。10多個國家超過1000名科學家參與了這個搜尋引力波的專案。有關LIGO發現引力波的傳言已在物理學界傳播了幾個月，最早透露這一訊息的是美國亞利桑那州立大學物理學家勞倫斯·克勞斯，但一直沒有獲得LIGO專案組證實。克勞斯11日說，發現引力波是一個“重大里程碑”，它開啟了觀測宇宙的一個新視窗，就像望遠鏡的發明或太空無線電波的發現一樣。LIGO專案組發言人加布裡埃拉·岡薩雷斯說：“這一發現是一個新時代的開端，引力波天文學現在成為現實。”愛因斯坦一定也會嚇一跳“我們探測到了引力波。我們做到了。”當地時間11日清晨，當LIGO執行主任、加州理工學院教授戴維·賴茨在華盛頓宣佈這一訊息時，擠在美國加州理工學院天文學與天體物理學中心參加同步新聞釋出會的上百名科研人員沸騰了。長久的歡呼、掌聲和淚水……難怪科研人員這麼激動，依照科學家的說法，人類探測到引力波，如同一個失聰的人突然獲得聽覺，從此獲得感知世界的新能力。這一天，距愛因斯坦預測引力波存在已有百年。“我相信愛因斯坦看到今天的結果，一定也會嚇一跳，”LIGO科學合作組織研究成員之一、加州理工學院物理學教授陳雁北說，“儘管他會因自己在廣義相對論、量子力學、鐳射等多個領域的貢獻感到欣慰，但百年來物理學已獲得前所未有的發展。對於人類今天的成就，愛因斯坦一定無法想象。”愛因斯坦百年前預言引力波存在，但也曾認為，由於引力波太過微弱，它無法被探測到。參與LIGO專案的澳大利亞墨爾本大學研究員孫翎對記者說：“我們證明了愛因斯坦的正確，另一方面他也說錯了，我們真的探測到了。”捕捉引力波為啥這麼難?引力波是非常弱的一種訊號，弱到連愛因斯坦本人都曾懷疑能否建造足夠靈敏的探測器，探測引力波很長一段時間內被視為“不可能完成的任務”。20世紀90年代起，大型鐳射干涉儀引力波探測器開始在全球範圍內興建，真正拉開了引力波探測黃金時代的序幕。美國分別在路易斯安那州利文斯頓市與華盛頓州小城漢福德市建造了兩個鐳射干涉引力波探測器(LIGO)。LIGO擁有巨大的L形測量臂，每邊各有4千米長，兩端設有反射鏡面。發出的一束鐳射沿著L形互相垂直的兩邊前進並被來回反射。一般情況下，鐳射由於干涉而互相抵消，探測器接收不到光訊號，但一旦引力波經過，便會改變鐳射透過的距離，從而被觀測到。探測引力波需要探測器具有極高的靈敏度，還需區分開來引力波訊號和環境或儀器噪聲。2015年9月14日北京時間17點50分45秒，位於利文斯頓與漢福德的兩臺探測器同時觀測到了後來被命名為GW150914的引力波訊號。科學家們透過進一步的資料分析還證實了這是兩個黑洞合併的事件。在當天的記者會上，也有人問所探測到的引力波訊號是不是好得過頭了?LIGO專案科學家的回答是，他們花了幾個月的時間進行驗證，這也是為什麼去年9月探測到引力波訊號，卻拖到今天才宣佈。這些科學家還相信，隨著探測器靈敏度的提高，今年應該會探測到更多引力波訊號。探測到引力波有多重要?包括中國科學家在內的多國科學家認為，新發現不僅填補了廣義相對論實驗驗證中最後一塊缺失的拼圖，讓現代物理學的根基更加堅實，也意味著科學家抓住了揭開宇宙奧秘的“鑰匙”，有助於瞭解宇宙的起源和執行機制。英國著名理論物理學家斯蒂芬·霍金表示：“引力波提供了一種人們看待宇宙的全新方式。(人類)探測到引力波的這種能力，很有可能引發天文學革命。”南非誇祖魯-納塔爾大學的引力波研究專家馬寅哲說，天文學的發現幾百年以來主要靠電磁光譜的測量，射電、光學、紅外、X射線等天文觀測手段均是在收集光，靠“看”觀測宇宙。引力波的發現則將從“聽”這一完全不同的角度進行天文觀測，引力波天文學這一學科的大門徹底被開啟。引力波將成為檢驗愛因斯坦相對論、探測黑洞質量、測量宇宙距離等基本問題的新視窗。參與該專案的美國賓夕法尼亞州立大學科學家查德·漢娜說，我們無法預測引力波天文學將如何改變對宇宙的基本認知，就像伽利略用他的小望遠鏡預測不了哈勃太空望遠鏡展現給我們的宇宙那樣，“我們可以預期的是，100年後我們的後輩所知道的將與我們所知道的有天壤之別”。