[科普中國]-火線評論：引力波探測引爆了科學(xué)家朋友圈

編者按： 激光干涉引力波天文臺（LIGO）直接探測到引力波的新聞發(fā)布會，吸引了眾多科學(xué)家守候，《知識分子》第一時間邀請了麻省理工學(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引力波探測研究進(jìn)行解讀，同一時間，科學(xué)家們的朋友圈也因此炸開了。
插入 圖1 引力波音頻。圖片來源：LIGO新聞發(fā)布會直播截圖

李淼：天文學(xué)將進(jìn)入引力波時代
插入圖2 李淼，中山大學(xué)天文與空間科學(xué)研究院院長，主要研究方向為宇宙學(xué)、弦論、高能物理 根據(jù)發(fā)表在物理評論通訊（PRL）2016年2月11號一期上的論文，《合并雙黑洞系統(tǒng)引力波輻射的觀測》：2015年9月14號協(xié)調(diào)世界時09:50:45 ，LIGO的兩個引力波探測器同時探測到一個短暫的引力波信號，相對強度為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論，這個信號來自于雙黑洞系統(tǒng)的合并。這個雙黑洞系統(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）。兩個黑洞的質(zhì)量分別大約是36個太陽質(zhì)量和29個太陽質(zhì)量，其中引力波輻射損失的質(zhì)量大約為3個太陽質(zhì)量。這個發(fā)現(xiàn)表明存在太陽質(zhì)量級別的雙黑洞系統(tǒng)，是人類第一次探測到引力波，也是人類第一次探測到雙黑洞合并。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)時只有美國的LIGO探測到了引力波信號，而意大利的Virgo還在升級中。毫無疑問，這是一項世紀(jì)發(fā)現(xiàn)，證實了愛因斯坦引力理論的最后一項預(yù)言。這個發(fā)現(xiàn)開啟了物理學(xué)的引力波時代，引力波將從此由理論上的存在變成事實上的存在。這個發(fā)現(xiàn)僅僅是人類探測引力波的開端，因為這個發(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。 這個發(fā)現(xiàn)將極大促進(jìn)其他引力波探測實驗的發(fā)展。天文學(xué)在21世紀(jì)將進(jìn)入引力波天文學(xué)時代。蘇萌：引力波發(fā)現(xiàn)將打開宇宙研究新篇章
插入圖3 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)探測與宇宙射線物理學(xué) 1. 探測引力波難在哪里 我們知道任何相對論性的引力理論都預(yù)言了引力波的存在，同時通過對脈沖雙星的觀測我們已經(jīng)間接的探測到了引力波，引力波的直接探測，尤其是極端天體物理過程產(chǎn)生的引力波，可以說隨著探測手段的更新、探測器的升級換代必然會發(fā)生的。但是由于引力波信號極其微弱，一直以來都在不斷挑戰(zhàn)著探測技術(shù)的研發(fā)和數(shù)據(jù)分析模擬的能力。LIGO-Virgo合作組全面升級換代后的第二代Advanced LIGO，近千人的合作隊伍，正是面臨諸多困難下科學(xué)家們多年艱苦努力的寫照。 2. 四種探測引力波的手段 目前為止，探測引力波的主要手段有四種，分別針對不同天體物理與宇宙學(xué)起源的引力波信號。 首先當(dāng)今的宇宙起源模型認(rèn)為，宇宙大爆炸時會發(fā)生宇宙時空劇烈的暴脹過程(inflation)，由于時空的劇烈擾動會產(chǎn)生一個引力波的背景信號，所謂的原初引力波信號。這種引力波的波長跟整個宇宙的尺度差不多大，所以只能通過對宇宙大爆炸后遺留的光子場的信號（所謂宇宙微波背景輻射）來尋找原初引力波的信號。前不久頗具影響的Bicep2實驗正是通過這種方式探測到了原初引力波的跡象，本可以是實現(xiàn)首次引力波直接探測的實驗，可惜后來更多數(shù)據(jù)和儀器的結(jié)果顯示，雖然測量結(jié)果沒有問題，可是探測到的卻是我們銀河系自身的信號，并不是來自于宇宙早期?，F(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，包括我國計劃在西藏阿里天文臺開展的首個北半球觀測項目。 原初引力波是頻率最低的引力波類型，其次是大質(zhì)量黑洞并合時發(fā)出的引力波，對應(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。人們想出一個絕妙的方法去試圖觀測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)極快的帶強烈磁場的中子星，顧名思義，這種脈沖可以作為一個時鐘——可以達(dá)到原子鐘級別的精確的時鐘，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)鏡作為探測器來觀測大質(zhì)量黑洞并合時發(fā)出的引力波。 頻率提升到十萬分之一到一赫茲，對應(yīng)的信號來源更為豐富，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)的大型空間實驗衛(wèi)星項目，將為實現(xiàn)這個目標(biāo)再努力二十年左右。首顆技術(shù)驗證星去年年底剛剛上天，目前為止運行良好。我國中山大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的雄心勃勃的天琴計劃是我國正在規(guī)劃的空間探測引力波實驗。 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的頻段，主要的信號源是中子星、恒星級黑洞等致密天體組成的雙星系統(tǒng)。探測手段就是地面數(shù)公里的激光干涉裝置。四種手段探測的引力波信號源不同，科學(xué)目標(biāo)也不同。 3. 引力波研究將打開研究宇宙新篇章 LIGO探測到引力波，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。
程曜：不會很快給諾獎
插入圖4 程曜，清華大學(xué)工程物理系教授，研究方向為物理/納米元件與引力波探測 今天熱鬧非凡，總算公布量到引力波了。我對這件事給點評論吧！量到的強度10-21，比靈敏度高，以前的運轉(zhuǎn)應(yīng)該可以量到，只是運氣不好，信號當(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器加入。合并事件殘留的黑洞不算大，不容易觀測到。所以這次的測量屬于我們預(yù)測應(yīng)該量到這樣的信號，然后真的出現(xiàn)了，我們也沒有能力做事后檢驗。我大膽預(yù)言，不會很快給諾獎，要等其它探測器加入，重復(fù)觀察到很多次后，起碼要五年的時間。
插入圖5 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力系統(tǒng)、天體力學(xué) 人類居然可以在時空中檢測只有質(zhì)子萬分之一大小的移動，令人驚奇！這應(yīng)該是數(shù)學(xué)的勝利。愛因斯坦提了個漂亮的數(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。