引力波大事件与校长的信

不管时代的潮流和社会的风尚怎样，人总可以凭着自己高贵的品质，超脱时代和社会，走正确的道路。现在，大家都为了电冰箱、汽车、房子而奔波、追逐、竞争。这是我们这个时代的特征了。但是也还有不少人，他们不追求这些物质的东西，他们追求理想和真理，得到了内心的自由和安宁。 ——爱因斯坦 写于1946年

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勇敢地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）。 2016年2月11日，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个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（发生在2015年9月14日，科学家把这个人类直接探测到的首个引力波信号编为GW150914）中，4对在真空中相距4公里的40千克的玻璃镜子，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。这一信号证实了广义相对论的重要预言——宇宙中存在双黑洞系统，它们可能并合成一个更大的黑洞。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，也不再稳稳地坐在星系中央。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。

高新激光干涉仪引力波天文台（Advanced LIGO）的项目领头人，来自麻省理工的戴维?休梅克在LIGO科学合作组织（LSC）的官方新闻稿的结语中说，“Advanced LIGO探测器是科学与技术上的一项壮举，汇聚了全球技师、工程师和科学家团队的通力合作才得以实现。”

这一科学史上又一激动全人类事件发生后，麻省理工学院校长L. Rafael Reif给全校师生写了一封邮件，内容如下：

麻省理工学院校园全体成员：

2月11日上午10点30分，麻省理工学院、加州理工学院以及美国国家科学基金在华盛顿特区将进行物理学界的一次历史性发布：人类首次直接探测到引力波，Albert Einstein（阿尔伯特?爱因斯坦）百年前预见的一种时空干扰波。

你也许会去现场观看这一发布。在美国国家科学基金发布会后，你也可观看我们校园的发布活动。你也可以在学院官方网站上阅读到关于这一发现的综述，以及对麻省理工学院教授Emeritus Rainer Weiss的专访，他是LIGO（激光干涉引力波观测站）的倡导者和领导者。

基础科学的美丽和力量通常而言，不管多么令人印象深刻，我不会给全校致信祝贺某个人的研究成果。我们校区一直都在推出重要的科研成果。但我要鼓励你们去思考今天的发布，因为它在一个广袤的背景上展示了，对这个科学问题人类为什么要探索，如何探索，以及为什么至关重要。

今天的新闻至少包括两个重要的故事：

首先是科学告诉我们：凭藉广义相对论，爱因斯坦准确地预测了引力波的存在，它是从宇宙中某个引力极其强大的地方旅行到我们这里的时空涟漪。这些涟漪信号是不可察觉地微弱。直到不久前，它们也无法被直接观察到。但因为LIGO成功检测到了这些微弱的信号——从两个黑洞相撞成为一个更大的黑洞——我们有了确凿证据，这个系统的活动正如爱因斯坦所预言。

即使是最先进的望远镜也依赖于光，所以我们不能看到这壮观的碰撞，因为我们一直认为，黑洞不会发出任何光。然而，凭借LIGO的仪器，我们现在有“耳朵”可以听到。配备这种新感官，LIGO的团队发现和记录了一个关于大自然的、迄今未被发现的基本事实。但他们利用这个新工具的探险才刚刚开始。这就是为什么人类要从事科学！

第二个故事是关于人类的成就。它始于爱因斯坦：一种广阔的人类意识，可以形成一个超越当时实验能力的概念，而他的后人用了一百年，发明工具，证明了其有效性。

这个故事可以推广到Rai Weiss和其合作者的科学创造力和无比的毅力。数十年来，在技术可能性的边缘，不计成败，Rai Weiss领导一个全球合作的团队，最终将一个光辉的思想实验转变成一个科学发现的胜利。

这个叙事中的重要角色还包括数十名外围科学家，也包括美国国家科学基金会管理者，他们在过去几十年中，系统地评估了这一雄心勃勃项目的意义，决定了予以大量投资。最后的篇章也包括LIGO团队，精心地将这些发现展示在物理学界面前。通过严谨分析和同行评审出版的一步步庄重过程，令我们满怀信心分享这一喜讯——而且开创了一个探索的新前沿。

在麻省理工学院这样的地方，有太多人正在参与解决现实世界的问题，我们有时会以实用的附带产品来检验国家的基础科学投资是否物有所值。但在这个案例中，这几乎是不相关的。当然，个中也有立即有用的“成果”：LIGO一直以来是数千大学生和数百博士生艰苦的训练场——其中两人已经正式担任我校的教职。

更重要的是，LIGO团队的技术创新，以及创造性使用其他领域的工具，产生了前所未有的精密仪器。正如我们在麻省理工学院所熟知的，人类无法抗拒一个新工具的诱惑。LIGO技术将进一步完善和发展，“回报”的方式未可限量。关注其发展十分有意义。

我们今天庆祝的发现体现了基础科学的悖论：它是辛苦的、严谨的和缓慢的，又是震撼性的、革命性的和催化性的。没有基础科学，最好的设想就无法得到改进，“创新”只能是小打小闹。只有随着基础科学的进步，社会也才能进步。

麻省理工学院校园具备如此不凡的条件，能欣赏这一成就的美丽和意义，并敞开进一步成就的机会。我为自己属于这个校区的一员而自豪和荣幸。

谨致振奋与赞叹！

TIPS：

世界各国的大型引力波探测器

在美国的LIGO计划开始之后，欧洲也开始进行引力波探测计划。目前，比较大型的探测器是由英国和德国合作，在德国Hannover附近建造的GEO 600探测器，以及由法国和意大利合作，在意大利Pisa附近的VIRGO探测器。GEO 600探测器的壁长是600米，而VIRGO的臂长是3000米。相比之下，VIRGO的造价和性能都远高于GEO 600，而和LIGO相当。

最近，日本也开始建造大型的KaGRA引力波探测器。早年，在日本有一个TAMA300探测器，位于东京附近的三鹰市，在日本的国家天文台院内，臂长300米。日本科学家多年来一直致力于推动大型引力波探测，这个KaGRA项目终于在2008年立项。目前，这个探测器的建设已经基本完成，进入了调试阶段。

前些年，印度也开始加入了引力波探测的行列。LIGO实验室和印度引力波物理学界已经达成协议，计划把LIGO的一部分实验设备运往印度，并在印度开设一个LIGO-India的引力波观测站。

中国：天琴计划。中山大学的罗俊院士，是中国引力物理界的领军人物。他对引力常数的测量，引力定律的检验的研究，都处于世界的前沿。罗院士的团队最近提出的“天琴计划”，是在空间中测量引力波。空间中，我们可以测量频率更低的引力波。一方面，可以从侧面验证LIGO引力波源、引力波传播的性质，另外一方面，也可能探测到大质量甚至超大质量的黑洞。