美國科研人員11日宣布，他們利用激光幹涉引力波天文臺(LIGO)於去年9月首次探測到引力波，證實了愛因斯坦100年前所做的預測，同為黑洞專家的英國天文物理學大師霍金表示，他相信這是科學史上重要的一刻。

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跡、看到其一些最大的能量”，霍金說。

研究人員宣布，當兩個黑洞於約13億年前碰撞，兩個巨大質量結合所傳送出的擾動，於2015年9月14日抵達地球，被地球上的精密儀器偵測到。

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。”

這個現象由兩個設在美國的地下探測裝置觀測到，此裝置主要用來偵測引力波的微小震動，這項觀測計劃的名稱是Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，簡稱LIGO。

科學家花費數個月時間驗證數據並通過審查程序，才宣布這個訊息，標誌著全球各地研究團隊數十年努力的最高潮。

柯多瓦說：“LIGO迎來天體物理學全新領域的誕生。”

愛因斯坦1916年左右在廣義相對論中提出引力波理論，認為聚集成團的物質或能量的形狀或速度突然改變時，會改變附近的時空狀態，效應就像漣漪以光速在宇宙傳播。

引力波以光速傳遞，無法加以阻擋或阻撓。由於引力波產生的時空扭曲非常微小，在此之前科學家從未成功觀測到。

過去數十年來許多跨國科學團隊都致力於找尋引力波存在證據，但引力波對於附近時空的沖擊因距離地球太遠，弱不可見，加深觀測的難度。以地球和4.3光年之外的半人馬座α為例，被引力波扭曲的太空可能只有一根頭發般的變化。

“逼格”很高的引力波究竟是個什麽鬼?

引力波示意圖

引力波就像時空結構中的漣漪，如果把空間想象成一塊巨大的橡膠膜，那些有質量的物體就會讓橡膠膜彎曲，就像我們站在蹦床上時引起床墊變形一樣。質量越大，空間被彎曲得越厲害。

比如地球圍繞太陽轉動的原因就是因為太陽非常重，導致太陽周圍空間出現巨大變形，如果試圖在巨大的變形周圍以直線運動，你會發現其實是在沿著一個圓運動，這就是軌道運轉。並沒有實際的力拉著行星運轉，僅僅是因為空間的彎曲。

只要有質量的物體加速，改變了空間形狀，引力波就產生了，你可以想象湖面的漣漪。當高密度、大質量的物體在宇宙里加速——比如黑洞或者中子星——它們會在時空的墊子上泛起漣漪。這些波紋攜帶著大質量物體的引力輻射，在廣闊的宇宙中傳播。激光幹涉引力波觀測站的存在就是為了捕捉這種微弱的波動。

1915年，愛因斯坦發表廣義相對論論文，革新了自牛頓以來的引力觀和時空觀，創造性地論證了引力的本質是時空幾何在物質影響下的彎曲。1916年愛因斯坦在廣義相對論的框架內，又發表論文論證了引力的作用以波動的形式傳播。

發現引力波意味著什麽?

引力波的發現意義重大，從科學意義上看，引力波可以直接與宇宙大爆炸連接。廣義相對論中預言的引力波也可以產生於宇宙大爆炸中，這就是說大爆炸之初的引力波在137億年後的今天仍然可以探測到。一旦我們發現了宇宙大爆炸時期的引力波，就可以揭開宇宙的各種謎團，甚至了解宇宙的開端和運行機制。因此也有這樣的說法，如果引力波的發現被確定，那麽幾乎可以肯定會入選諾貝爾獎。1993年的諾貝爾獎就是授予了間接發現引力波存在的科學家，當時兩位科學家泰勒和赫爾斯對脈沖星雙星系統PSR1913+16進行研究，發現其系統內有兩顆中子星，它們快速圍繞對方公轉，最終發現了引力波間接證據。

一旦我們發現了宇宙大爆炸時期的引力波，就可以揭開宇宙的各種謎團，甚至了解宇宙的開端和運行機制

2014年3月，BICEP2望遠鏡科學家稱發現了宇宙大爆炸時期產生的原初引力波，這個發現瞬間轟動了世界，科學家在宇宙微波背景輻射中探測到B模偏振，認為這是原初引力波的證據。這個發現不僅意味著我們探測到引力波，而且還發現大爆炸時期的引力波，更令人驚訝的是根據這個理論我們甚至可以推出平行宇宙的存在。不過，很快BICEP2望遠鏡的發現成果被否定，科學家驗證後發現是銀河系的塵埃對觀測形成幹擾，這個發現是錯誤。

由此也可以看出，引力波對於現代天文學而言是多麽重要，一旦發現引力波直接證據，我們就能夠通過這個途徑觀測並研究它，進而揭開宇宙深層奧秘。

引力波科學的發展歷史

在過去的六十年里，有許多物理學家和天文學家為證明引力波的存在做出了無數努力。其中最著名的要數引力波存在的間接實驗證據——脈沖雙星PSR1913+16。1974年，美國物理學家家泰勒(Joseph Taylor)和赫爾斯(Russell Hulse)利用射電望遠鏡，發現了由兩顆質量大致與太陽相當的中子星組成的相互旋繞的雙星系統。由於兩顆中子星的其中一顆是脈沖星，利用它的精確的周期性射電脈沖信號，我們可以無比精準地知道兩顆致密星體在繞其質心公轉時他們軌道的半長軸以及周期。根據廣義相對論，當兩個致密星體近距離彼此繞旋時，該體系會產生引力輻射。輻射出的引力波帶走能量，所以系統總能量會越來越少，軌道半徑和周期也會變短。

泰勒和他的同行在之後的30年時間里面對PSR1913+16做了持續觀測，觀測結果精確地按廣義相對論所預測的那樣：周期變化率為每年減少76.5微秒，半長軸每年縮短3.5米。廣義相對論甚至還可以預言這個雙星系統將在3億年後合並。 這是人類第一次得到引力波存在的間接證據，是對廣義相對論引力理論的一項重要驗證。泰勒和赫爾斯因此榮獲1993年諾貝爾物理學獎。

圖3：PSR1913+16轉動周期累積移動觀測值與廣義相對論預言值的比較。

圖中藍色曲線為廣義相對論的預測值，紅點為觀測值。兩者誤差小於0.2%，此發現給引力波科學註入了一針強心劑。

在實驗方面，第一個對直接探測引力波作偉大嘗試的人是韋伯(Joseph Weber)。早在上個世紀50年代，他第一個充滿遠見地認識到，探測引力波並不是沒有可能。從1957年到1959年，韋伯全身心投入在引力波探測方案的設計中。最終，韋伯選擇了一根長2米，直徑0.5米，重約1噸的圓柱形鋁棒，其側面指向引力波到來的方向。該類型探測器，被業內稱為共振棒探測器(如下圖)：

圖4：韋伯和他設計的共振棒探測器。

引力波驅動鋁棒兩端振動，從而擠壓表面的晶片，產生可測的電壓。圖片來自：馬里蘭大學。當引力波到來時，會交錯擠壓和拉伸鋁棒兩端，當引力波頻率和鋁棒設計頻率一致時，鋁棒會發生共振。貼在鋁棒表面的晶片會產生相應的電壓信號。共振棒探測器有很明顯的局限性，比如它的共振頻率是確定的，雖然我們可以通過改變共振棒的長度來調整共振頻率。但是對於同一個探測器，只能探測其對應頻率的引力波信號，如果引力波信號的頻率不一致，那該探測器就無能為力。

此外，共振棒探測器還有一個嚴重的局限性：引力波會產生時空畸變，探測器做的越長，引力波在該長度上的作用產生的變化量越大。韋伯的共振幫探測器只有2米，強度為10 -21的引力波在這個長度上的應變量(2×10 -21米)實在太小，對上世紀五六十年代的物理學家來說，探測如此之小的長度變化是幾乎不可能的。雖然共振棒探測器沒能最後找到引力波，但是韋伯開創了引力波實驗科學的先河，在他之後，很多年輕且富有才華的物理學家投身於引力波實驗科學中。

(綜合中國網、澎湃新聞網、cnbeta網站、觀察者網)