■中科大“国家创新人才计划青年项目”教授蔡一夫揭秘引力波
■科大参与探测138亿年前宇宙原初引力波
□本报记者 蒋瑜香 

○2月11日，在美国举行的新闻发布会上，显示屏展现出科学家们捕捉到的引力波信号图像。新华社 发

○这是技术人员在关闭舱门抽制真空前检查光学部件。 新华社 发

○美国路易斯安那州利文斯顿市的激光干涉引力波天文台的资料照片。新华社 发

随着美国“激光干涉引力波天文台”（LIGO）首次发现引力波，人类第一次能够“听”到宇宙的“声音”，证实了物理学界的百年猜想，在引起科学家们关注的同时，也引起了公众对于这项研究的兴趣。

什么是“引力波”？它的发现有何意义？我国的引力波探测情况如何？……对此，昨天记者专访了中科大物理学院天文系“国家创新人才计划青年项目”教授蔡一夫。他表示，当前科大正在参与原初引力波探测项目“阿里实验计划”，与LIGO项目不同，这一计划将探测138亿年前宇宙诞生之时的原初引力波，以揭开宇宙产生之谜。

　  “其实引力波无处不在”

美国科研人员2016年2月11日宣布，他们利用“激光干涉引力波天文台”于去年9月首次探测到引力波。

　  什么是引力波？引力波是一种时空涟漪，如同石头被丢进水里产生的波纹。黑洞、中子星等天体在碰撞过程中有可能产生引力波。

　  “其实，引力波并不神秘，它是无处不在的。可以说在日常生活中，有无数引力波在穿透我们的身体，但绝大多数引力波太过微弱，我们难以发现。”蔡一夫说，此次发现的引力波是两个黑洞于约13亿年前并合，两个巨大质量结合所传送出的扰动，并在宇宙中经过13亿年的传播后抵达地球，被地球上的精密仪器侦测到。

　  蔡一夫说，早在1916年，爱因斯坦在广义相对论的基础上提出了引力波的存在，并预言强引力场事件可产生引力波，比如黑洞合并、脉冲星自转以及超新星爆发等。

　  “此次发现可以说是人类科研的一大进步，也证实了爱因斯坦100年前所做的预测。”蔡一夫说。

　  引力波如同一把“钥匙”，打开人类认知之门

 蔡一夫说，现代物理学研究有两大基石，一是广义相对论，二是量子理论。

　  “这是物理学的两大‘规矩’，但到目前为止，这两大理论是独立发展。”蔡一夫说，但物理学家们相信，世界不应该是两个物理“规矩”，而是由一个物理“规矩”所决定。

　  “引力波的发现，就相当于一把重要的‘钥匙’，打开了这两个理论各自独立的大门，使其能够理论统一。”蔡一夫说，两种物理学理论的各自独立，限制了人类对世界、对宇宙的认知。

　  “用一个形象的说法，就像井底之蛙一样，视野所能看到的永远只是局部。”蔡一夫说，引力波的发现，打破了这种局限性，使得人类的认知水平得以提升到新的层次。

　  “引力波”催生的应用技术将运用于人类生活

科学家们表示，引力波发现的另一大重要意义是，引力波可以直接与宇宙大爆炸连接，打开了人类认识和了解宇宙的一个新窗口。那么这一发现，对普通老百姓，对我们的日常生活又有何影响？

　  由于引力波是非常弱的一种信号，弱到连爱因斯坦本人都曾怀疑能否建造足够灵敏的探测器，探测引力波很长一段时间内被视为“不可能完成的任务”。为了捕捉到这一信号，从20世纪90年代起，大型激光干涉仪引力波探测器开始在全球范围内兴建，真正拉开了引力波探测黄金时代的序幕。

　  “人类为了发现引力波，不断提升探测器的精密程度。在这过程中，催生了一系列相应的应用科学发展。”蔡一夫说，比如，随着激光干涉仪技术的进步，促进了工程学、精密测量、仪器测量等方面的发展。

　  “虽然现在还很难说这些技术会对人类的日常生活产生哪些具体影响，但相信这些科学技术，终将会运用在人们的日常生活当中，推动人类社会的发展。就如同当年量子理论提出时，没有人想到日后会运用在通讯方面一样。”蔡一夫说。

 ■科大与引力波

　  科大正在参与引力波探测项目

从爱因斯坦的预言，到LIGO获得直接观测证据，足足跨越了百年。在这一过程中，中国科学家也在不断寻觅、追求。

　  蔡一夫说，目前，我国主要有两个大型引力波探测项目，一个是由中科院高能物理研究所主导的“阿里实验计划”，一个是由中山大学领衔的“天琴计划”。阿里实验计划是在地面上聆听引力波的音符，天琴计划则是到太空去捕捉引力波的声响。

　  “其中，中科大参与了‘阿里实验计划’。” 蔡一夫说，中科大作为最早参与“阿里实验计划”的高校，为该项目的选址、科研仪器研发等提供技术支持，并对观测目标作了理论预测。

　  什么是“阿里实验计划”？蔡一夫说，早在10年前，中科院国家天文台就在西藏阿里建设观测站，如今已颇具规模。其地理上位于最佳的中纬度范围，充分利用地球自转，覆盖天区广，主要是测量宇宙在138亿年前创生时期的原初引力波，未来阿里将成为北半球天区第一个地面观测点。

探测原初引力波将揭开宇宙产生之谜

为何要探测138亿年前的原初引力波？蔡一夫说，在138亿年前，由于大爆炸从而诞生了宇宙，当时产生的原初引力波信号强度，肯定会大于13亿年前两个黑洞碰撞所产生的信号强度。但随着时间的过去，这种信号传播会变得越来越弱。

　  “这就需要运用一种特殊的技术去探测这一正在变弱的信号，以帮助人类更好地了解宇宙是如何产生的。”蔡一夫说，研究宇宙起源是“阿里实验计划”的重要目标之一，通过对原初引力波的探测和研究，可以揭开宇宙产生之谜。

　  引力波也称重力波，引力波是爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动，是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递的一种方式。如同电荷被加速时会发出电磁辐射，同样有质量的物体被加速时就会发出引力辐射，这是广义相对论的一项重要预言。

合肥晚报2016年2月15日　　

北京时间2016年2月11日23：40左右，激光干涉引力波天文台（LIGO）在发布会上宣布，LIGO于2015年9月发现了遥远星系中两个黑洞发生并合所产生的引力波信号。在爱因斯坦广义相对论百年之际，这一发现更有里程碑般的意义。在这个特殊时刻，我们用六张图带你了解引力波的提出与寻找史：

1916年6月：爱因斯坦预言时空会产生涟漪

爱因斯坦提出的广义相对论认为，引力是大质量天体对周围时空产生的扭曲。在提出广义相对论的一年之后，他提出，一个大质量物体在发生摇晃时，会在周围的时空中产生“涟漪”，即引力波（gravitational wave），并以光速向四周传播。引力波到底是真实的存在，还是人造的数学概念，他和其他物理学家立刻展开了争论，爱因斯坦在此过程中也摇摆不定，数次改变主意。

1969年6月：无法重复的“首次发现”

1969年，马里兰大学帕克分校的物理学家约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）宣称用自制的仪器发现了引力波。仪器的主要部分是一个大块的铝制圆柱体，长2米，直径为1米，设计者认为，当引力波穿过这个大铝块时，铝块就会发出振动，从而被探测到。然而，他的实验结果从未被其他人重复出来。除了他自己，没有人相信他真的找到了引力波。尽管如此，他的工作仍然给了该领域的其他科学家很多参考。

1974年：双中子星的发现带来新希望

1974年，马萨诸塞大学阿默斯特分校的约瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）及其研究生拉塞尔·赫尔斯（Russell Hulse）发现了已知的首个脉冲双星，被命名为PSR B1913+16（上图是艺术家对其的描绘）。它包含两个中子星，在互相绕转的同时逐渐向内接近，根据爱因斯坦的理论，这是因为中子星运动的过程中向外发出引力波，不断损失能量，因此轨道半径减小，而该中子星螺旋向内运动的速率与广义相对论所预言的完全相同。该发现因此被视为对引力波的间接验证，赫尔斯与泰勒也获得了1993年的诺贝尔奖，“因其发现一种新类型的脉冲星，为引力的研究打开了新的窗口”。

当麻省理工学院和加州理工学院的科学家计划用激光干涉的方法来寻找引力波时，很多研究者是极力反对的。反对者担心这会让大量资金打了水漂——建造这类探测器需要极大的投入，但可能什么都找不到。然而，美国国家科学基金会（NSF）最终于1990年批准了激光干涉引力波天文台（LIGO）的建造，并在1992年确定了两座探测器的选址：华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的利文斯顿。探测器的建设于1999年完工，并于2001年开始收集数据。然而，之后的9年内，LIGO什么都没有找到，而它也于2010年被关闭，等待升级重启。

2014年3月：原初引力波得而复失

2014年，位于南极的BICEP2设备宣称他们观测到了另一种引力波的存在证据。研究者称，他们发现了“B模”信号，这是一种微弱的微波信号，可能来自于宇宙大爆炸时产生的原初引力波。然而，后续分析表明他们的“发现”只是一个误差，来自于我们银河系以内的星际尘埃。

在2010年关闭并开始升级的LIGO最终于去年9月重启。升级后的高级LIGO探测引力波的能力大大提升，并在刚刚开始运行的阶段就找到了来自两个正在并合的黑洞所产生的引力波，给一个世纪之久的引力波搜寻历史画上了圆满的句号。高级LIGO已经于2016年1月结束了第一轮数据采集，之后它将继续升级，并与欧洲的高级Virgo等设备联合观测。