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<doc><id>870</id><url>http://news.sohu.com/20160217/n437627072.shtml</url><title>中国将投资150亿做一件大事 寻找宇宙之声</title><datetime>2016-02-17 12:35:00</datetime><body>　　近日，美国科学家宣称，位于华盛顿州和路易斯安那州的激光干涉引力波天文台(简称LIGO)已成功探测到引力波。
　　这意味着，人类科学研究从电磁波时代进入引力波时代，我们将从全新的探测窗口倾听宇宙的“歌唱”。一旦未来的引力波通讯技术开发成功，可能引导人类进行跨越星际的交流，帮助人类尽早走出地球家园、向宇宙的深度进军。
　　据中国科学院16日透露，空间引力波探测已被列入中科院制订的空间2050年规划。中科院从2008年开始发起“太极计划”，计划在2030年前后将发射由位于等边三角形顶端三颗卫星组成的引力波探测星组，用激光干涉方法进行中低频波段(1x10-4-1.0Hz)引力波的直接探测。“太极计划”的主要科学目标是观测双黑洞并合和极大质量比天体并合时产生的引力波辐射，以及其它的宇宙引力波辐射过程。

　　另外，由中山大学牵头的同样用于探测引力波的“天琴计划”已于去年启动，计划用20年时间，总投资约为150亿元。中山大学天文与空间科学研究院院长李淼15日接受采访介绍说，“天琴计划”预期执行期为2016-2035年，分四个阶段实施。最近几年，“天琴计划”的发展将以在中山大学珠海校区建设天琴计划综合研究设施为重要内容。

刘慈欣在科幻小说《三体》系列中，让引力波成为了人类威慑三体人的通信工具。

　　引力波是什么？如何探测引力波？探测到引力波的意义何在？中国科学院国家天文台研究员张承民这样为您解答。
　　什么是引力波？
　　爱因斯坦的广义相对论（GR）是关于引力场中物质运动的规律描述，而引力场是控制宇宙万物的四个基本相互作用之一，有物质就产生引力场。诸如，地球上的苹果为什么下落？为什么月球围绕地球、地球围绕太阳运动？这些就是万有引力现象的案例。
　　牛顿引力定律只是低速度描述引力场的近似，而爱因斯坦给出更加完美的普适方程，并获得大量实验验证支持；牛顿引力理论无法给出引力波的概念，因为其方程不能提供辐射的解。GR的引力场方程可以获得如同电磁场一样的传播解，其时空波动的传播速度是光速，依此爱因斯坦预言了引力波的存在。

　　简单的说，电磁波是电磁能量的空间传播，而引力波是时空引力能量的传播。不同于电磁波，引力波是物质能量剧烈加速变化引起时空形变的传播；电磁波的源泉则是电场和磁场的震荡传播。但是两者的传播速度是一样的，都是光速，即每秒30万公里（比较地月距离38万公里，也就是说一秒多就可从地球到月球）。此外，引力波的震荡模式（偏振）与电磁波稍有不同。


引力波示意图（图/千龙新闻网）

　　引力波如何产生？为什么引力波的探测那么难？
　　引力波发生在一个巨大的天体突然加速运动，就像当恒星的超新星爆发时、或者当两个巨大的星体发生碰撞、或者两个致密星体合并，诸如中子星与黑洞这类星体的碰撞与合并。
　　由于距离遥远，引力波能量到达地球时的信号非常微弱。美国引力波激光干涉仪LIGO探测器检测的精度相当于在北京观测上海的分子运动，其难度可想而知。近100年来，全球科学家一直翘首以待这一宇宙物质的波动光顾地球。然而，寻找世间微弱的奇迹，谈何容易，各种大型引力波探测器在世界各地建设，LIGO堪称之最。

　　引力波能量微弱的原因可以类比电子与质子的相互作用，两者的电力作用相当于其引力作用的10亿倍，所以引力波的能量较低。虽然引力波在宇宙到处存在，但是其微弱能量使得我们难于探测到。
　　引力波的探测主要有哪些方法？
　　由于引力波爆发引起时空震荡，使得物体产生微小抖动，所以引力波触发微小时空变化。诸如，黑洞合并时释放出巨大引力波能量，地球的引力波激光干涉仪LIGO的干涉臂被引发微小的震动；双中子星系统的缠绕运动将释放引力波，其轨道尺度变小；脉冲星阵列的监测可以反映引力波穿过时的漂移；引力波损失动量可以导致脉冲星转动速度饱和，等等。对于上述现象的观测和监测，让我们判断引力波的存在证据。

　　1974年，美国天文学家赫尔斯和泰勒，利用阿雷西博305米口径射电望远镜，观测到双中子星系统的轨道收缩，虽然每年3厘米的轨道变化，这与爱因斯坦的预言一致。由于他们间接证实引力波存在，于1993年两人获得诺贝尔物理学奖。
　　在引力波寻觅的征途上，欧洲、日本和澳大利亚也不甘落后，他们相继建设各自的探测器，苦苦等待引力波投来激动的涟漪。依据爱因斯坦理论推算，在几千光年距离远的黑洞或中子星合并事件，其引力波强度可以被LIGO测到。
　　LIGO如何探测到引力波？
　　激光干涉引力波天文台（LaserInterferometerGravitationalWaveObservatory—LIGO)是美国建设的大型激光干涉仪，由加州理工学院和麻省理工学院负责运行，分别坐落在美国北部的华盛顿州和南部的路易斯安那州，南北距离约2000多公里；干涉仪臂长3公里和4公里、呈垂直布置。一旦引力波闯入地球，引发时空震荡，造成干涉臂距离变动，这将让干涉仪的干涉条纹变化，依此确定引力波强度。


美国激光干涉引力波天文台（资料图）

　　据推算，本次宣布的引力波直接探测，其信号来自距离地球13亿光年的双黑洞的合并事件，持续时间约20毫秒。两个互相缠绕运动的黑洞质量大约相当于30个太阳，它们在最终的毁灭性碰撞合并时发出引力波爆发，此发现的探测时间是2015年9月14日（引力波事件编号GW150914）。
　　本次引力波发现还需要解释一些疑惑
　　本次宣称的引力波发现，是南北距离两千多公里的两个激光干涉仪的同步探测结果，但是中国科学院国家天文台研究员张承民对此有90%的可信度。那么，10%的疑虑是什么？
　　其一，在美国LIGO获得引力波信号时，欧洲引力波设备VIRGO没有反应，缺少相应的佐证信息；
　　其二，引力波信号出现时，多个卫星探测器在空间工作，也没有发现宇宙深处的Gamma射线爆发、X-射线爆发；而地面光学与射电望远镜也没有发现超新星爆发和射电爆发事件。当然，LIGO可以如此反驳，双黑洞外围没有大量物质运动，其合并也许不会产生足够的电磁能量爆发。
　　目前，LIGO的引力波发现还没有外部佐证事件，这可能被诟病为孤立的“自证”发现事件。LIGO需要进一步等待新的引力波信号到来，再次证实其发现的可靠性。1979年，美国马里兰大学物理学家宣称发现引力波，一时间轰动世界，但是之后的质疑声音不断。当时的铝锭探测器，灵敏度较低，现在看来那时很难探测微弱的引力波信号。
　　两年前，也曾有人宣称发现了引力波，可是后来的仔细审查发现其误差超过了预期。因此，未来的再次引力波信号到达将打消我们的疑虑。
　　LIGO探测到引力波的意义何在？
　　引力波的发现将是物理学100年来最大的突破之一。到此，爱因斯坦全部预言获得验证，这为广义相对论GR画上完美句号。
　　引力波曾经间接被发现，但是直接探测这还是首次。正如美国科学家所言，引力波的证实是GR的最后一个“拼图”，GR的其它几大验证早就被实验所证明，包括：水星近日点进动、光线在引力场偏折、引力红移、雷达回波时间延迟、黑洞、自旋进动。

　　引力波通信可以与遥远的宇宙实施联络，而减少干扰；由于电磁波受到大气层等离子体干扰、太阳风干扰、以及银河系电荷干扰，所以电磁信号传输距离有限。引力波是物质时空的振荡，传播速度与电磁波一样，但是它是物质加速运动造成的时空能量波动，而不是电磁场的波动，所以不受宇宙到处分布的电荷干扰。
　　可以设想，高度文明的外星人已经使用引力波通信技术，进行星际通讯传播信息，可惜地球人类无法接收其信号；而我们的电磁信号即使传到其它星球，也可能信息失真，这导致我们彼此在茫茫宇宙中互相寻找，不得知己。


电影《星际穿越》海报
　　现在，太阳系已经走完45亿年历史，太阳寿命只有100亿年，因此逃离太阳系是未来人类必须解决的问题，否则人类将与太阳一起在末日的燃烧中终结。假如借助引力波通讯技术，接收高智慧的外星人信息，人类获得更多宇宙的知识，他们将教会我们如何到宇宙深处找到新的家园，让我们逃离地球的险恶环境，我们可能“倾听”到外星人的引力波“歌唱”，或许未来与外星人汇合，这将是宇宙生命的终极意义。
　　作者系中国科学院国家天文台研究员张承民</body></doc>