人類首次探測到引力波-新聞專題-科學網

【人類首次直接探測到引力波】

這次探測到的引力波是由13億光年之外的兩顆黑洞在合併的最後階段產生的。兩顆黑洞的初始質量分別為29顆太陽和36顆太陽，合併成了一顆62倍太陽質量 高速旋轉的黑洞，虧損的質量以強大引力波的形式釋放到宇宙空間，經過13億年的漫長旅行，終於抵達了地球，被美國的「雷射幹涉引力波天文臺」（LIGO） 的兩臺孿生引力波探測器探測到。

在物理學上，引力波是愛因斯坦廣義相對論所預言的一種以光速傳播的時空波動，如同石頭丟進水裡產生的波紋一樣，引力波被視為宇宙中的「時空漣漪」。通常引力波的產生非常困難，地球圍繞太陽以每秒30千米的速度前進，發出的引力波功率僅為200瓦，還不如家用電飯煲功率大。宇宙中大質量天體的加速、碰撞和合併等事件才可以形成強大的引力波，但能產生這種較強引力波的波源距離地球都十分遙遠，傳播到地球時變得非常微弱。【閱讀原文】

【張天蓉：終於探測到了引力波】

與電荷運動時會產生電磁波相類比，物質在運動、膨脹、收縮的過程中，也會在空間產生漣漪並沿時空傳播到另一處，這便是引力波。

愛因斯坦在100年之前預言存在引力波，但是，由於引力波攜帶的能量很小，強度很弱，物質對引力波的吸收效率又極低，一般物體產生的引力波，不可能在實驗 室被直接探測到。舉例來說，地球繞太陽相互轉動的系統產生的引力波輻射，整個功率才大約只有200瓦，而太陽電磁輻射的功率是它的10²²倍。

測量到引力波的意義非凡，首先，這意味著科學家們可以通過它來進一步探測和理解宇宙中的物理演化過程，為恆星、星系、乃至宇宙自身現有的演化模型，提供新的證據，有一個更為牢靠的基礎。其二，過去的天文學基本上是使用光作為探測手段，而現在觀測到了引力波，便多了一種探測方法，也許由此能開啟一門引力波天文學。此外，大爆炸模型，以及黑洞等發射的引力波，都是建立在廣義相對論的基礎上。如今真正探測到了理論預言的引力波，就能再次證明這個理論的正確性。【閱讀原文】

【張天蓉：從類星體到引力波】

第一個在吸積盤內發現有雙超重黑洞的類星體是位於室女座的PKS1302-102，它距離地球35億光年。這個類星體位於一個橢圓星系內。根據計算，這兩個黑洞應在33.39億年前就已經互相吞噬而合併了，但這合併後的景象傳到我們這兒需要35億年！這些光信息還在半途中，因而我們仍然觀測到「雙黑洞」！

此外，除了光信號之外，還有物理學家們正在尋找的引力波，這是愛因斯坦在天國裡也要「夢寐以求」的東西啊。【閱讀原文】

 

【陳孝良：人類可以「聽到」的引力波】

美國東部時間2015年9月14日5時51分，位於利文斯頓的探測器首先傳出撞擊聲，7毫秒後，漢福德的探測器也傳出撞擊聲。這意味著有引力波傳到了地球，並被美國的「雷射幹涉引力波天文臺」（LIGO）的兩臺孿生引力波探測器探測到。

下圖顯示了GW150914的頻率在0.2秒內從35赫茲迅速增加到150赫茲，時間相差7毫秒，這個時間差與光或者引力波在兩個探測器之間傳播的時間一致。

35赫茲到150赫茲，這個頻段實際上是人類可聽到的低頻聲音，所以才會在雷射幹涉探測中產生上述類似撞擊的聲音出現。LIGO給出了這個信號片段。但是，用手機喇叭和耳機播放的朋友們就別嘗試了，這個頻段普通手機喇叭和耳機是很難播放出來的，需要接到一個專業音響系統中才能感受到人類首次探測到引力波的喜悅！【閱讀原文】

【嶽東曉：黑洞狂舞之聲——引力波暢想曲】

1960年代，美國物理學家約瑟夫-韋伯 （Joseph Weber) 設計了一組實驗，通過觀測金屬鋁圓柱體的振動來觀測引力波。

韋伯的努力鼓舞了後繼者。

 

LIGO是一個L型的雷射幹涉儀，L型的每個臂長為4公裡，裡面抽成超高真空。建造這麼個觀測站耗資數億美元，每年運行費用數千萬。從2002年建成後運行8年，一直沒有探測到引力波。經分析總結之後，認為必須升級提高靈敏度。於是又投入數億美金，進行升級改造。終於非常肯定地探測到了引力波。

這次LIGO探測的引力波最大的信號為十萬億億分之一。這是個什麼概念呢？ 探測器的臂長是4000米，這個長度的十萬億億之一是400億億分之一米，而一個氫原子的半徑約為400億分之一米。也就是說，LIGO探測到的長度最大變化只有一個氫原子半徑的一億分之一。其效應如此之小，引力波的概念愛因斯坦在100年前提出，到今天才被探測到也就並不奇怪了。【閱讀原文】

【劉立：發表「人類首次直接探測到愛因斯坦引力波」的Paper究竟說了些啥】

作者署名按作者姓氏的英文字母次序排序（專業領域的慣例；而不是所謂一般學科基於貢獻大小的通行慣例）。

作者只列一個作者（Abbott）［這位老兄賺大發了］，其他作者都"等」（et al.）掉了。LIGO的一把手Prof David Reitze, executive director of the LIGO project，也不例外，「埋沒」在茫茫人海之中。【閱讀原文】

【梁鵬：愛因斯坦也曾犯錯】

1936年，愛因斯坦的狹義相對論已經使得他獲得了科學界的至尊地位的時候，他的一篇文章《引力波存在嗎？》投向了《Physical Review》，文章的結論是：引力波不存在！

半年後，愛因斯坦的這篇文章在《富蘭克林研究院期刊》(Journal of the Franklin Institute)發表，但是值得注意的是結論已經變成了引力波存在！原來這篇文章的被送到了和之前同一位審稿人手中，這位年輕的審稿人Howard P. Robertson設法結交了愛因斯坦的新助理應菲爾德 (Leopold Infeld)，並有機會和應菲爾德討論愛因斯坦的文章，他們一起發現了愛因斯坦推論中的錯誤。【閱讀原文】

【李泳：引力波的預言與猜想】

這兩天引力波「浪」起來了，想起老K的預言。LIGO是加州理工玩兒蟲洞穿越的Kip Thorne和MIT的Rainer Weiss在30年前發起的大科學計劃，老K在《黑洞與時間彎曲》裡講過那段草創時期的故事。2000年6月，老K過60歲生日，在朋友們為他舉行的紀念會上，他大膽講了10個預言或猜想，大都與引力波有關。

引力波是這些猜想和預言裡最不激動人心的（因為對相對論的信心不需要這一點事實來加強），更令人好奇的是，老K的其他預言什麼什麼時候成真？【閱讀原文】

【施鬱：從引力波談愛因斯坦的幸運】

1936年的愛因斯坦幸運地被同行評議制度避免了發表一篇錯誤的論文，而1905年的愛因斯坦恰恰曾幸運地因為德國《物理學年鑑(Annalen der Physik)》的寬鬆而得以在該雜誌發表5篇改變物理學的論文，特別是看上去離經叛道的狹義相對論和光量子論文。而在愛因斯坦移居普林斯頓後完成的愛因斯坦、羅森和玻多爾斯基（B. Podolsky）質疑量子力學完備性的論文（EPR論文）以及愛因斯坦和羅森關於愛因斯坦-羅森橋（即蟲洞）的論文都未經審稿在物理評論發表。【閱讀原文】

 

【科學家發現引力波 霍金：是科學史上重要一刻】

 霍金(Stephen Hawking)在接受英國廣播公司(BBC)專訪時表示：「引力波提供看待宇宙的嶄新方式，發現它們的能力，有可能使天文學起革命性的變化。這項發現是首度發現黑洞的二元系統，是首度觀察到黑洞融合。」

「除了檢驗(愛因斯坦的)廣義相對論，我們可以期待透過宇宙史看到黑洞。我們甚至可以看到宇宙大爆炸時期初期宇宙的遺蹟、看到其一些最大的能量」，霍金說。

資助這項研究的美國國家科學基金會(US National Science Foundation)負責人柯多瓦(France Cordova)表示，「如同伽利略首度把他的望眼鏡指向天空，這項對天空的新觀測，將會加深我們對宇宙的理解，引發超乎預料的發現。」

柯多瓦說：「LIGO迎來天體物理學全新領域的誕生。」【閱讀原文】

【引力波探測將推進黑洞和宇宙學研究】

「此次美國科學家直接探測到引力波，一方面驗證了愛因斯坦的廣義相對論，另一方面也開啟了人類認識宇宙的一個新窗口——引力波天文學。」2月14日，復旦大學物理系教授施鬱在接受《中國科學報》記者採訪時說。

據了解，以往觀測宇宙都是採用各種電磁波，但電磁波存在一定的局限性，導致有些天體過程無法進行觀測，比如產生此次引力波的兩個黑洞的併合過程。「所以，這次觀測到引力波也是人類首次觀測到這種黑洞過程，並且引力波探測還可以與電磁波和中微子探測結合起來，黑洞和宇宙學的研究會受到很大的推進。」施鬱表示。

中國科學技術大學物理學院教授蔡一夫蔡一夫表示，此次探測到引力波可能宣告一個大時代的來臨。一百多年前電磁波的標準理論提出後，人類很快進入電氣時代，並因此完成了若干次技術革命和社會生活的顛覆。而引力波的物理意義要超越電磁波，因此「將引力波的發現視作一個新時代的來臨，應該不為過分」。【閱讀原文】

【中國引力波探測工程「天琴計劃」正在立項】

中國本土重大引力波探測工程「天琴計劃」已經於2015年7月份正式啟動，部分關鍵技術研究已有具體進展，目前正在立項中。

據介紹，中山大學「天琴計劃」是以引力波研究為中心，開展空間引力波探測計劃任務的預先研究，制定中國空間引力波探測計劃的實施方案和路線圖，並開展關鍵技術研究。

完成全部四個子計劃，大約需要二十年的時間，投資大約150億元人民幣。【閱讀原文】

【引力波探測者：LIGO與天琴計劃不矛盾】

地面和天空探測是不同的波段，看到的圓是不同的，學到的知識也是不一樣的。不同的波段會有不同現象，能看到不同的東西，這個計劃本身是沒有矛盾的。

如果考慮到地面已經探測到引力波，對於空間探測將是一個鼓勵，「天琴計劃」很可能會相比地面探測到的黑洞更大，可能看到星系中心大質量黑洞的併合過程，它們可以研究了解到宇宙早期星系演化的過程，這個是地面上探測不到的，因此「天琴計劃」可以探測到更多新的信息，兩個項目研究是完全沒有矛盾的。【閱讀原文】

【跨越數十年的接力：捕捉引力波的中國力量】

「1969年，美國馬裡蘭州立大學的約瑟夫·韋伯宣稱，他已探測到不排除為引力波的信號。這引起物理學界極大的注意。1973年，中國科學院的王祝翔、秦榮先等人前往廣州，商討中科院高能所和中山大學合作引力波符合探測研究的事宜，得到中大及物理系教授陳嘉言等人的大力支持。1976年，國家科委和教育部決定把這項研究定為國家重點研究項目。」

目前，我國主要有兩大引力波探測項目：中科院高能所主導的『阿里實驗計劃』和中山大學領銜的『天琴計劃』。一個是在地面上聆聽引力波的音符，一個是到太空去捕捉引力波的聲響。

來自科技部的消息顯示，致力於「在地面聆聽引力波音符」的中科院國家天文臺阿里觀測站位於西藏阿里獅泉河鎮以南海拔5100米的山脊，海拔高、雲量少、水 汽低、透明度高。其選址工作在國家天文臺相關研究人員的帶領下，持續長達10年，已成為天文臺選址工作的典範。建成後，其地理上的中緯度範圍、對天區的廣 闊覆蓋，有望填補北半球觀測宇宙微波背景輻射的空白。【閱讀原文】

【王貽芳：從「引力波的發現」看中國科研體制】

回顧這十幾年我國科學的發展歷程，雖然進步很大，但也不是沒有遺憾。我們曾與加州理工學院討論過參加LIGO及aLIGO的可能，但由於種種原因放棄了。總結起來，我國科研管理體制的具體問題有以下幾個：

第一，條塊分割，制度簡單僵化，抑制了科研活力……【閱讀原文】

【中科院空間太極計劃欲「巧奪天工」】

2016年2月16日上午，中國科學院在北京披露了一項雄心勃勃的引力波探測項目——空間太極（Taiji）計劃。按計劃，我國將在2030年前後發射引力波探測衛星組，進行中低頻波段引力波的直接探測。目前，在中科院空間科學先導專項兩期預研項目的支持下，已經開展了近五年的預先研究。【閱讀原文】

 

引力波 探測計劃	太極計劃	天琴計劃	阿里計劃
項目類別	空間探測計劃	空間探測計劃	地面探測計劃
主導單位	中科院	中山大學	中科院高能所
探測頻段	中低頻	中低頻	低頻
實施方案	中歐合作的國際合作計劃，方案I是參加歐洲空間局的eLISA雙邊合作計劃。方案II就是發射一組中國的引力波探測衛星組，與2035年左右發射的eLISA衛星組同時邀遊太空，進行低頻引力波探測。方案II擬於2033年前後發射，實現中國大型先進科學衛星計劃的突破。	計劃用20年時間，通過四個階段實施，完成所有空間引力波探測所需的關鍵技術，發射三顆地球高軌衛星進行引力波探測。	利用阿里地區獨特的地理氣象條件，實現首次對北半球可見天區的原初引力波搜尋，是我國獨具優勢的引力波研究項目。主要使用一臺微波波段的望遠鏡，通過極其敏感的探測元器件，排除地球大氣和銀河系的幹擾，搜尋從137億年前跨越整個宇宙傳播到地球的宇宙微波背景輻射。
投資預算	未定	150億	1億