爱因斯坦的交响乐

杜芝茂

2016年2月11日，一则极具爆炸性的消息传遍世界。美国“激光干涉引力波观测站”（LIGO）对外宣布人类第一次直接探测到引力波的存在。从这一刻起，关于引力波的研究终于不再是纸上谈兵了。引力波的发现，开启了人类一场波澜壮阔的新旅程。

终 极 验 证

100多年前，爱因斯坦发表广义相对论，并且预言有引力波的存在。爱因斯坦认为大质量天体会引起周围时空产生弯曲，当一个大质量物体改变运动状态时，会在周围的时空中产生“涟漪”，即引力波。

1974年，美国物理学家泰勒（Joseph Taylor）和赫尔斯（Russell Hulse）利用射电望远镜观测到由一颗中子星和一颗脉冲星组成的双星系统PSR 1913+16。通过观测这个双星系统引力辐射阻尼所引起的轨道周期变率，间接地探测到了引力波，两位物理学家也因此获得1993年诺贝尔物理学奖。

如今，当人们还在以怀疑的态度争论广义相对论的时候，LIGO直接探测到引力波的存在，再一次强有力地验证了广义相对论的预言。

如何探测引力波

引力波是由质量四极矩随时间变化而产生的，在时空中以光速传播。引力波可以被形象地理解为时空的自身变形，时空在一个方向上被拉伸，那么在与其垂直的另外一个方向上就会被压缩。然而，它与其他波相比非常微弱，就连预言它存在的爱因斯坦都不相信能够探测到它的存在。那么，这么微弱的引力波是如何被探测到的？

目前探测引力波，人们主要采用激光干涉仪、脉冲星计时阵列和宇宙微波背景辐射。探测引力波同时需要两方面的技术支撑：一方面需要设计精巧的实验方案，以此来增加探测器的基线长度，放大引力波效应；另一方面需要运用顶尖的降噪技术，把震动噪声、热噪声等这些影响引力波强度的噪声降到最低。要知道，无论是已经探测到引力波的LIGO，还是国际上其他探测引力波的先进设备，如意大利的VIRGO探测器、日本的KAGRA探测器等，都是基于这两个方面开展相关研究的。

引力波与人类生活

一百多年前，汤姆生发现了电子，紧接着伦琴发现了X射线，当时大家觉得这两个发现与日常生活没有太大的关系。但是现在看来，电子和X射线对人类生活的影响已经远超出当时人们的想象。如今引力波的存在已被证实，那它又将会给人类生活的哪些方面产生久远的影响呢？

人类天文学的观测研究

引力波的发现，为天文观测提供了全新的探测手段。随着越来越多引力波探测基地的建立，天文学的研究极可能进入引力波天文学时代。运用引力波来观测宇宙，具有独特的优势。一方面，引力波的频率范围是1～10-15赫兹，其波源基本覆盖了宇宙中的各类天体系统，可探测无法用电磁辐射探测或不具有电磁辐射的天体，不受白天黑夜、天气因素的影响，可以帮助人类更好地了解难以用传统方法观测的天体物理现象，如超新星爆发﹑星体碰撞﹑双星并合﹑脉冲星转动、黑洞扰动等。另一方面，在传播过程中引力波基本不衰减，用它来观测那些被其他物质屏蔽的宇宙区域，来发现、探索新天体，实在是再合适不过了。最后，引力波是在宇宙大爆炸发生10-43秒后与物质分离的，是随机背景的重要组成部分，它的探测结果还能提供宇宙最早状态的信息。

助力传播领域

引力波有着极强的穿透力，不仅如此，它在传播过程中，基本上不被吸收，不被散射，不被屏蔽。凭借这些优点，引力波极有可能助力下一代通信技术。虽然这些仍然属于猜想、构思阶段，但是随着人类探索脚步的前进，引力波或许终有一天能够淘汰现在人们依赖的光缆通信、有线电视，成为人类日常生活中必不可缺的通信载体。

自引力波发现以来，为紧追时代步伐，2015年，以中山大学牵头利用人造卫星探测空间引力波的“天琴计划”已经启动。该计划完全由我国自主开发，采用三颗全同的卫星构成一个等边三角形阵列，原理与欧洲航天局（ESA）的LISA类似。通过测量一个周期为5.4分钟的超紧凑双白矮星系统（RX J0806.3+1527）的变化来探测引力波。该计划预计于2035年建成并用于探测。

同时，我国另一个引力波探测计划——“太极计划”也在积极筹备中。“太极计划”将利用激光干涉方法对中低频波段的引力波进行探测，主要是通过观测双黑洞并合和大质量天体并合来探测引力波辐射。该计划预计20年后完成，我们期待在引力波的研究上中国能与国际并轨同行。