参与引力波探测的华人科学家:将推动中国天琴计划

　　引力波说明图

　　资料图

　　陈雁北、范锡龙

　　1915年，爱因斯坦发表广义相对论论文，革新了自牛顿以来的引力观和时空观，创造性地论证了引力的本质是时空几何在物质影响下的弯曲。1916年，爱因斯坦在广义相对论的框架内，又发表论文论证了引力的作用以波动的形式传播。

　　因为引力波的效果极其微弱，100年前的爱因斯坦认为引力波在任何能想象的情况下都可以忽略。50年以前，实验物理学家Joe Weber勇敢的开拓了引力波探测的先河。40年前，天文学家Hulse和Taylor发现了脉冲双星、间接证实了引力波的存在。25年前，物理学家 Drever, Thorne和Weiss在美国国家科学基金的资助下开始建造激光干涉引力波天文台 (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，LIGO)。 今天，美国的LIGO和欧洲的VIRGO引力波探测器联合发布消息，宣布已经探测到距离地球约13亿光年的两个大约30太阳质量的黑洞碰撞所发出的引力波。

　　在这个让物理学家50年来望眼欲穿的、持续时间不到一秒钟的事件(GW150914)中，4对在真空中相距4公里的40千克的玻璃镜子的距离，以原子核尺寸千分之一大小的振幅振动了十几次。这样微乎其微的振动，被打在这些镜子上的100千瓦的激光读出，让人类第一次“近距离的接触”了黑洞。黑洞不再是科幻作品中的神奇物体，不再躲在高温磁化的等离子体后面，也不再稳稳的坐在星系中央。这次，我们实实在在的观察到了黑洞附近时间和空间的高度扭曲和脉动。引力波探测的成功，为人类观察宇宙提供了一个崭新的窗口。

　　引力

　　引力是无处不在的 。 它主导了天，让宇宙、星系、恒星、行星有序地形成和演化;它主导了地，让我们生活的地球分成了各个圈层，让苹果落地，让人类羡慕鸟类飞翔，让日出日落，山川秀丽。可是，引力虽然无处不在，它却低调而又卓尔不群，以至于我们经常会忽略它： 我们生活中的五颜六色、酸甜苦辣，都是由电磁相互作用所产生的。而到目前为止，在微观上，引力还是和其他基本相互作用不能融合!

　　引力是人类最早定量认识的相互作用，让人类从无知走向科学。在17世纪，伽里略的斜塔实验就通过运动学证明了引力对众生平等，也就是等效原理 -- 不同材质的物体下落加速度一致。1687年，牛顿创建了万有引力定律，并且发明微积分的数学方法对行星的运动进行精确的描述。后人用牛顿的理论发现了海王星和冥王星。虽然水星近日点的进动一直和牛顿预言闹一点非常微小的矛盾，但是貌似引力的终极理论就此完成。

　　在牛顿发现引力之后的几百年，物理学的进展更多的是在对电和磁的研究，1865年麦克斯韦最终建立了电场和磁场的大一统理论。到了1905年，爱因斯坦提出了狭义相对论，极具洞察力地论证了电磁场的统一性暗含了时间和空间的统一性：物理理论必须把时间和空间放在一起考虑，而时间和空间本身，失去了绝对意义。一个新的概念，“时空”，就这么诞生了。

　　广义相对论

　　尽管牛顿的万有引力定律有着几乎完美的实验验证，但是观念上是把时间和空间分开考虑的，并且牛顿引力是瞬时传播的。因此，牛顿引力和狭义相对论理论在概念上是矛盾的。提出了狭义相对论之后，爱因斯坦进一步研究引力和“时空几何”的关系，重新思考伽里略所观察到的物体下落加速度一致这个现象，意识到引力是一个非常特殊的相互作用。如果我们进入一个自由下落的参照系，那么引力会消失!这就是为什么在地球附近的宇航员会感觉到失重：不是因为他们离地球太远，而是因为他们在自由下落!

　　如果我们进入自由下落的参照系，引力好像没有了，是不是意味着引力只是参照系变换的产物，而不是真实的物理存在呢?不是的，因为宏观上不同位置上自由下落的参照系是不同的!如果我们考虑一个足够大的空间站，就会发现空间站不同位置上的物体会有相对加速的现象，这就是所谓的潮汐加速度。而这个加速度，是对所有物体都适用的。爱因斯坦把这个归结于时空几何的弯曲。加拿大华人网 http://www.sinoca.com/