科普：探测“时空的涟漪”——解读２０１７诺贝尔物理学奖成果

我们可以通过倾听声音来分辨乐器的种类和质地，物理学家也通过类似方式来研究宇宙。引力波就是这样一种“时空的涟漪”，它能被极为灵敏的探测器“听”到，向我们传递宇宙的信息。

 

【中美创新时报北京１０月３日电】（记者胡丹丹  黄堃）我们可以通过倾听声音来分辨乐器的种类和质地，物理学家也通过类似方式来研究宇宙。引力波就是这样一种“时空的涟漪”，它能被极为灵敏的探测器“听”到，向我们传递宇宙的信息。

美国科学家雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩获得２０１７年诺贝尔物理学奖，就是因为他们在“激光干涉引力波天文台”（ＬＩＧＯ）项目和发现引力波方面的贡献。

首先，什么是引力波？

根据爱因斯坦的相对论，时空是可以弯曲的，有质量的物体在其中运动，就会产生引力波。这就好比石头丢进水里会产生水波，引力波因此常被称作“时空的涟漪”。

但普通物体产生的这种引力波极为微弱，连爱因斯坦自己也认为很可能无法观测到。事实上，ＬＩＧＯ项目所观测到的两个黑洞合并产生的引力波，在仪器中只引起了比原子核还要小得多的变化。

爱因斯坦发表相对论百年来，许多预言，如水星近日点进动以及引力红移效应都已获证实，但引力波一直没有被探测到。因此，引力波又被称作广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”。

第二，如何探测到引力波？

今年的获奖者创建和领导了ＬＩＧＯ项目，该项目有两个引力波探测器，分别建在相距３０００公里的美国路易斯安那州利文斯顿市与华盛顿州小城汉福德市。每个探测器有两个Ｌ型的长臂，每个“臂长”为４公里。

这样巨大的实验装置，是为了通过长距离的激光干涉，尽可能放大引力波的影响。当源自遥远宇宙的引力波传到地球时，在实验装置中只会引起相当于原子核万分之一大小的变化。如此微弱的信号也能被这套装置探测到。研究人员认为，这是迄今最精密的科学测量设备。

２０１５年９月１４日，ＬＩＧＯ项目终于探测到来自于１３亿年前一个双黑洞系统合并的引力波信号。随后，科学界又三次探测到了引力波。最后一次是在今年９月２７日，美国和欧洲两个引力波项目组宣布，首次共同在８月１４日探测到一次引力波事件。

第三，引力波有什么用？

引力波开启了人们认识宇宙的新途径。过去科学界探测宇宙，多是依靠光学望远镜、射电望远镜等手段，而引力波是与光不同的信息载体。

通过分析引力波信号，我们可以判断出遥远宇宙中发生了什么。比如２０１５年的这次引力波事件，可以推断出两个黑洞合并前的质量分别相当于３６个和２９个太阳质量，合并后的总质量是６２个太阳质量，相当于３个太阳质量的能量以引力波的形式在不到１秒的时间内释放，是宇宙中的一场巨变。

引力波的波形特征与声波相似，这也是为什么科学家曾将其转换成声波，作为“宇宙的声音”播放出来。通过探测引力波来分析宇宙中的各种事件，就像根据乐器声波判断乐器的质地种类，以及乐手的演奏手法。

首次发现引力波时，ＬＩＧＯ项目组发言人、路易斯安那州立大学物理学家加布里埃拉·冈萨雷斯说：“这一发现是一个新时代的开端，引力波天文学现在成为现实。”

至于引力波在实际生活中有什么应用，科学家说，包括时空旅行这样的科幻设想还早得很，而利用引力波的宇宙通信目前来看也很遥远。不过引力波的发现无疑打开了一扇新的大门，给未来增加了更多新的可能。（据新华社）