食品中重金属含量的监测与评价及引力波的实验探测给我们的启示

PAGEUNIVERSITY本科毕业论文题目：食品中重金属含量的监测与评价专业：学生姓名：学生学号：系级班：指导教师：职称：摘要目前我国重金属的污染间接导致了食物品中含有了重金属元素，使得食物的品质不断的下降。我国每年减产1千多万吨的粮食，这些都是由于重金属污染而引起的，合计损失的人民币最少是200亿。并且，由土地污染引起的农产品质量安全问题令人堪忧，由此导致的群体性事件也是逐年的增加，这不仅危害了人民群众的身体健康，还对社会的稳定造成了严重的影响。本文研究食品中重金属含量的监测与评价，具有重要的意义。关键词：重金属，食品污染，危害，微量元素AbstractAtpresent,China'sheavymetalpollutionhaveindirectlyledtothefoodproductscontainingheavymetals,sothatthequalityofthefoodisdecreased.China'sannualproductionof1milliontonsofgrain,thesearecausedbyheavymetalpollution,thetotallossofRMBisatleast20billion.Andthatcausedbythepollutionofthelandisagriculturalproductsthequalityandsafetyproblemsworrying,resultinginmassincidentsisalsoincreasingyearbyyear,whichnotonlyendangerpeople'shealth,butalsoonthesocialstabilitycausedseriouseffect.Monitoringandevaluationofheavymetalcontentinfoodresearch,hasimportantsignificance.Keywords:heavymetalfoodpollutionhazardtraceelement目录摘要 2第1章引言 1第2章几种主要重金属的危害概述 12.1.重金属Hg（汞）的危害 22.2.重金属Cd（镉）的危害 22.3.重金属Pt（铅）的危害 32.4.重金属As（砷）的危害 3第3章我国重金属污染现状 4第4章重金属检测方法 54.1原子吸收光谱法（AAS） 54.2紫外可见分光光度法（UV） 64.3原子荧光光谱法（AFS） 64.4X射线荧光光谱法（XRF） 74.5电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS） 8总结： 8致谢： 9参考文献： 102016届本科毕业论文PAGE1第1章引言所谓重金属就是相对原子的密度在34.5g/cm以上的金属，如Cu、Pt、Zn、Ni、Co、Cd、Cr、Hg、Bi、等。一般情况下，重金属在自然界中物品的浓度不会达到危害人类以及其他生物的程度，随着工业化在人类社会的不断的发展，在工业化的生产中，会有大量的有毒有害的重金属元素随着废弃物的排放进入大气、水和土壤中，如土壤及水中铅、汞、镉、铬等不断增加。长期以来，国内外科研人员在如何对食品中的重金属进行监测和评价等方面进行了大量的研究，取得了许多成果。重金属在环境中大多不能被生物所降解，相反却能在食物链的生物放大作用下成千百倍地富集，最后进入人体。随着人体中重金属的蓄积量增加，机体便出现各种反应而危害健康。有些重金属还有致畸、致癌或致突变作用而危及生命安全。当我们所食用的粮食、蔬菜在这样的环境中成长时，这些粮食作物中也会含有了重金属元素，一旦人们食用了这些食物，这些重金属就会在人们身体中积累，当人体中累积的重金属元素到一定的程度，机会危及人身健康，使人造成重金属中毒。据研究，重金属污染经食物链放大随食品进入人体后主要引起机体的慢性损伤，进入人体的重金属要经过较长时间的积累才会显示出毒性，因此往往不易被早期察觉而在毒性发作前就引起足够的重视，从而更加重了其危害性。食品中的重金属元素不仅会造成食品质量的下降，还会给人类的健康造成极大的影响。因此，对于食品中的重金属进行认真、准确的检测和评价是一项利国利民的大事。第2章几种主要重金属的危害概述尽管锰、铜、锌等重金属是生命活动所必需的微量元素,但大部分重金属如汞、铅、镉等并非生命活动所必需,而且所有重金属超过一定浓度对人体都有毒。在环境污染方面的重金属主要是指汞、镉、铅、铬以及类金属砷等生物毒性显著的重金属元素。如果重金属元素未经处理就直接排入河流、湖泊或海洋,或者进入土壤中,由于它们不能被生物降解而使这些河流、湖泊、海洋和土壤受到污染。在食物链的生物放大作用下,它们成千百倍地富集,最后进入人体。如鱼类或贝类积累的重金属被人类所食,或重金属被稻谷、小麦等农作物吸收后被人类食用,重金属就会进入人体,使人产生重金属中毒,轻则发生怪病(水俣病、骨痛病等),重则导致死亡。其次,重金属在人体内能和蛋白质及酶等发生强烈的相互作用,使它们失去活性,也可在人体的某些器官中累积,造成慢性中毒,重金属超标引起的中毒事件不胜枚举。2.1.重金属Hg（汞）的危害(1)食物链对汞有极强的富集能力，在食物链的作用下，水生生物对汞大量富集，汞含量远远高于水体中的汞含量，有些海洋生物对汞的富集能力达到20万倍。汞的毒性是累积的，需要很长时间才能表现出来。大气和水环境中都存在不同化学形态的汞，其毒性与其化学形态密切相关，有机汞的毒性远远大于无机汞。误服大量汞盐和升汞及甘汞等无机态汞，易在肾内积累，导致肾障碍，可出现急性腐蚀性胃肠炎及汞毒性肾病。(2)无机态汞进入脑组织后，被氧化成汞离子，汞离子较难通过血脑屏障返回血液，逐渐积累在脑组织中，损害脑组织。无机汞中毒后的主要表现是轻度易兴奋症、神经衰弱综合症、汞毒性震颤、中毒性脑病和严重的肝肾损害等症状。（3）有机态汞的种类和化学性质的不同，导致的毒性也不同。甲基汞脂溶性极强，容易被动物吸收，70%能被人体吸收，在生物体内半衰期很长，是危害最大的一种汞形态。（4）在人体中甲基汞与红血球中的琉基(－SH)结合，生成烷基汞或琉基汞。有机态汞易于在人体内的中枢神经系统、肝脏和肾脏中积累。甲基汞中毒主要表现出乏力、多梦、头晕、失眠、多梦、性情烦躁、记忆力减退、肢端感觉障碍和运动失调等症状，还会造成胎儿痴呆、畸形等。2.2.重金属Cd（镉）的危害（1）在人类的生命代谢活动中，镉在人身体内进行着若干个生物毒性(化学)反应。镉与含羟基、氨基、巯基的蛋白质分子结合，生成镉-蛋白质，能使许多酶系统受到抑制，从而破坏肾、肝等器官中酶系统正常的生理功能，影响人体对蛋白质、脂肪和糖类等营养物质的消化吸收，引起高血压和心血管病。（2）镉与磷质发生亲合反应，将骨质磷酸钙中的钙置换出来，使骨骼严重缺钙而变得疏松、软化、萎缩、变形和骨折。镉与锌蛋白酶发生亲合反应，置换出锌，干扰降低那些需要锌的酶的生物活性和生理功能。2.3.重金属Pt（铅）的危害（1）对神经系统的影响。当人暴露于高浓度的铅时，最明显的临床病症是脑部疾病。症状常为易怒、注意力不集中、头痛、肌肉发抖、失忆以及产生幻觉，严重的将导致死亡。（2）对肾脏的影响。铅可能会导致两种肾病。一种是常在儿童中观察到的急性肾病，它是由于短期高水平铅暴露，造成线粒体呼吸及磷酸化被抑制，致使能量传递功能受到损坏。这种损坏作用一般是可逆的。有文献报道，可检测到肾功能损害对应的最低血铅水平为40μg/dl。另一种肾病是由于长期铅暴露导致肾丝球体过滤速率降低以及肾小管的不可逆萎缩。（3）对血液的影响。人体因为铅慢性毒害引起的最主要病症之一是贫血（4）对发育的影响。Needleman等人曾报道，波士顿一组妇女在怀孕期间有过铅暴露，她们的后代出现先天性畸形的机率增加。还有报道，新生儿体重的减少以及妊娠期的缩短与子宫铅暴露量有关。（5）对心血管的影响。铅暴露可能导致高血压和心血管疾病发生率的增（6）对生殖功能的影响。流产和死产可能与孕前以及孕期内铅暴露相关；另外，严重职业性铅暴露会导致男性精子数量减少和畸态精子数量增多。（7）致癌作用。2.4.重金属As（砷）的危害（1）近年来的研究发现,长期摄入高砷可导致非硬化性的肝脏纤维化。（2）因进入人体的砷主要经尿液排出,因此不可避免地对肾脏产生一定的影响。（3）砷具有神经毒性,可通过血脑屏障进入脑实质,损伤脑组织,破坏脑中化学物质(如神经递质)的稳定性,从而使人的思维、学习和行为变化。另外,砷对周围神经损害涉及面广泛,运动神经、感觉神经都可受到不同程度的影响。（4）砷导致心肌细胞溶酶体膜破坏,溶酶体酶释放,使细胞不可逆损伤,最终导致心肌细胞的破坏崩解,心电图检查异常和末梢血管病变,导致雷诺氏综合征、球结膜循环异常、心脑血管疾病等。可能是因为砷导致的膜通透性增加和脂质过氧化共同作用的结果。第3章我国重金属污染现状近年来我国经济快速发展，工业布局、产业结构没有明显改善，工业生产工艺、污染治理水平没有有效提高，全国涉重金属重点行业产能产量持续增加，重金属污染物排放量（铅除外）仍在增加，一些污染物排放量增幅还很大（汞增幅为26％）。根据第一次全国污染源普查结果，2021年全国废水中铅、汞、镉、铬、砷等五种重金属产生量为2.54万吨，排放量近900（897.3）吨。大气中上述五种重金属污染物排放量约9500吨。列入国家危险废物名录中含上述五种重金属的危险废物产生量为1690万吨。近年来我国重金属污染事件连续发生了多起，严重威胁人民群众的身心健康，影响社会稳定。国家对此高度重视，出台了一系列的政策措施对重金属污染进行综合整治。目前我国重金属污染呈现出长期积累和近期集中爆发、历史遗留问题和新出现问题相交织的特点，重金属污染在环境中存在多、形态多，整治重金属污染是一项长期、复杂、艰巨的任务。一是部分基层政府和企业认识不到位、不重视，片面地强调重金属污染问题属于历史遗留问题，而没有看到近年来新污染不断增加这一客观事实，存在畏难情绪，推卸治理环境污染、修复生态环境的法定责任，导致措施不落实、监管不到位。二是产业布局不合理，“小、乱、散”的问题突出，环境污染隐患较多。一些重金属排放企业距离饮用水水源保护区、居民居住区、学校等环境敏感区域较近，对周边环境安全构成威胁。三是产业结构调整不到位，部分地区仍存在落后产能。一些小冶炼、小采选、小五金、小电镀等还以小作坊、小车间的形式存在，污染治理设施简陋，严重污染环境。四是建设项目环境影响评价要求的卫生防护距离没有执行到位。有的重金属排放企业建设项目在环境影响评价文件中，没有提出卫生防护距离要求，但项目已经建成，并对周围居民产生影响。有的重金属排放企业在未按建设项目环境影响评价及其审批要求搬迁卫生防护距离内居民的情况下，自行投入生产，导致重金属环境污染，引发群体性事件。有的在建成企业的防护距离内擅自变更规划，建设居民小区，酿成污染恶果。五是企业违法偷排偷放问题较为严重。部分重金属排放企业缺乏社会责任感，通过阀门、暗管等多种方式偷排偷放，破坏生态环境，危害群众健康。对于食品中重金属含量超标的问题。一方面是我国国民整体素质还不够，有些企业或个体户为了自己的利益，完全不顾及广大人民群众的健康问题，生产、销售重金属含量超标的物品。二是相关执法人员工作不到位，在执行检测食品安全问题时疏忽大意，没有秉着认真负责的态度去工作。三是存在贿赂，某些企业生产出不合格食品时，在接受食品检测时明明是不合格的，却通过财务以及其他利益问题贿赂检测人员，使得自己逃过一劫。四是存在滥用权力现象。某些高管利用自己的权力，随意放任与自己有关系的企业或个人生产、销售不合格食品。第4章重金属检测方法在样品中,重金属一般以化合态形式存在。因此,在检测时需要对样品进行前处理,使重金属以离子状态存在于试液中才能进行客观准确地分析。此外,样品的前处理是为了去除干扰因素,保留完整的被测组分,或使被测组分浓缩。因此，我们在检测检测某一食品中的我们想要检测的各种重金属时，需要事先采样并进行处理。4.1原子吸收光谱法（AAS）原子吸收光谱法，指的是利用气态原子可以吸收一定波长的光辐射，使原子中外层的电子从基态跃迁到激发态的现象而建立的。由于各种原子中电子的能级不同，将有选择性地共振吸收一定波长的辐射光，这个共振吸收波长恰好等于该原子受激发后发射光谱的波长，由此可作为元素定性的依据，而吸收辐射的强度可作为定量的依据。AAS现已成为无机元素定量分析应用最广泛的一种分析方法。原子吸收光谱法该法具有检出限低（火焰法可达ng/cm–3级）准确度高（火焰相对误差小于1%），选择性好（即干扰少）分析速度快等优点。在温度吸收光程，进样方式等实验条件固定时，样品产生的待测元素相基态原子对作为锐线光源的该元素的空心阴极灯所辐射的单色光产生吸收，其吸光度（A）与样品中该元素的浓度（C）成正比。即A=KC式中，K为常数。据此，通过测量标准溶液及未知溶液的吸光度，又巳知标准溶液浓度，可作标准曲线，求得未知液中待测元素浓度。4.2紫外可见分光光度法（UV）其检测原理是：重金属与显色剂—通常为有机化合物，可于重金属发生络合反应，生成有色分子团，溶液颜色深浅与浓度成正比。在特定波长下，比色检测。分光光度分析有两种，一种是利用物质本身对紫外及可见光的吸收进行测定；另一种是生成有色化合物，即“显色”，然后测定。虽然不少无机离子在紫外和可见光区有吸收，但因一般强度较弱，所以直接用于定量分析的较少。加入显色剂使待测物质转化为在紫外和可见光区有吸收的化合物来进行光度测定，这是目前应用最广泛的测试手段。显色剂分为无机显色剂和有机显色剂，而以有机显色剂使用较多。大多当数有机显色剂本身为有色化合物，与金属离子反应生成的化合物一般是稳定的螯合物。显色反应的选择性和灵敏度都较高。有些有色螯合物易溶于有机溶剂，可进行萃取浸提后比色检测。近年来形成多元配合物的显色体系受到关注。多元配合物的指三个或三个以上组分形成的配合物。利用多元配合物的形成可提高分光光度测定的灵敏度，改善分析特性。4.3原子荧光光谱法（AFS）原子荧光光谱法是通过测量待测元素的原子蒸气在特定频率辐射能激以下所产生的荧光发射强度，以此来测定待测元素含量的方法。原子荧光光谱法虽是一种发射光谱法，但它和原子吸收光谱法密切相关，兼有原子发射和原子吸收两种分析方法的优点，又克服了两种方法的不足。原子荧光光谱具有发射谱线简单，灵敏度高于原子吸收光谱法，线性范围较宽干扰少的特点，能够进行多元素同时测定。原子荧光光谱仪可用于分析汞、砷、锑、铋、硒、碲、铅、锡、锗、镉锌等11种元素。现已广泛用环境监测、医药、地质、农业、饮用水等领域。在国标中，食品中砷、汞等元素的测定标准中已将原子荧光光谱法定为第一法。气态自由原子吸收特征波长辐射后，原子的外层电子从基态或低能态会跃迁到高能态，同时发射出与原激发波长相同或不同的能量辐射，即原子荧光。原子荧光的发射强度If与原子化器中单位体积中该元素的基态原子数N成正比。当原子化效率和荧光量子效率固定时，原子荧光强度与试样浓度成正比。现已研制出可对多元素同时测定的原子荧光光谱仪，它以多个高强度空心阴极灯为光源，以具有很高温度的电感耦合等离子体（ICP）作为原子化器，可使多种元素同时实现原子化。多元素分析系统以ICP原子化器为中心，在周围安装多个检测单元，与空心阴极灯一一成直角对应，产生的荧光用光电倍增管检测。光电转换后的电信号经放大后，由计算机处理就获得各元素分析结果。4.4X射线荧光光谱法（XRF）X射线荧光光谱法是利用样品对x射线的吸收随样品中的成分及其多少变化而变化来定性或定量测定样品中成分的一种方法。它具有分析迅速、样品前处理简单、可分析元素范围广、谱线简单，光谱干扰少，试样形态多样性及测定时的非破坏性等特点。它不仅用于常量元素的定性和定量分析，而且也可进行微量元素的测定，其检出限多数可达10-6。与分离、富集等手段相结合，可达10-8。测量的元素范围包括周期表中从F-U的所有元素。多道分析仪，在几分钟之内可同时测定20多种元素的含量。x射线荧光法不仅可以分析块状样品，还可对多层镀膜的各层镀膜分别进行成分和膜厚的分析。当试样受到x射线，高能粒子束，紫外光等照射时，由于高能粒子或光子与试样原子碰撞，将原子内层电子逐出形成空穴，使原子处于激发态，这种激发态离子寿命很短，当外层电子向内层空穴跃迁时，多余的能量即以x射线的形式放出，并在教外层产生新的空穴和产生新的x射线发射，这样便产生一系列的特征x射线。特征x射线是各种元素固有的，它与元素的原子系数有关。所以只要测出了特征x射线的波长λ，就可以求出产生该波长的元素。即可做定性分析。在样品组成均匀，表面光滑平整，元素间无相互激发的条件下，当用x射线（一次x射线）做激发原照射试样，使试样中元素产生特征x射线（荧光x射线）时，若元素和实验条件一样，荧光x射线强度与分析元素含量之间存在线性关系。根据谱线的强度可以进行定量分析。4.5电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS），ICP-MS的检出限给人极深刻的印象，其溶液的检出限大部份为ppt级，实际的检出限不可能优于你实验室的清洁条件。必须指出，ICP-MS的ppt级检出限是针对溶液中溶解物质很少的单纯溶液而言的，若涉及固体中浓度的检出限，由于ICP-MS的耐盐量较差，ICP-MS检出限的优点会变差多达50倍，一些普通的轻元素（如S、Ca、Fe、K、Se）在ICP-MS中有严重的干扰，也将恶化其检出限。ICP-MS由作为离子源ICP焰炬，接口装置和作为检测器的质谱仪三部分组成。ICP-MS所用电离源是感应耦合等离子体（ICP），其主体是一个由三层石英套管组成的炬管，炬管上端绕有负载线圈，三层管从里到外分别通载气，辅助气和冷却气，负载线圈由高频电源耦合供电，产生垂直于线圈平面的磁场。如果通过高频装置使氩气电离，则氩离子和电子在电磁场作用下又会与其它氩原子碰撞产生更多的离子和电子，形成涡流。强大的电流产生高温，瞬间使氩气形成温度可达10000k的等离子焰炬。被分析样品通常以水溶液的气溶胶形式引入氩气流中，然后进入由射频能量激发的处于大气压下的氩等离子体中心区，等离子体的高温使样品去溶剂化，汽化解离和电离。部分等离子体经过不同的压力区进入真空系统，在真空系统内，正离子被拉出并按照其质荷比分离。在负载线圈上面约10mm处,焰炬温度大约为8000K,在这么高的温度下,电离能低于7eV的元素完全电离，电离能低于10.5ev的元素电离度大于20%。由于大部分重要的元素电离能都低于10.5eV，因此都有很高的灵敏度，少数电离能较高的元素，如C，O，Cl，Br等也能检测，只是灵敏度较低。总结：我国未来经济发展仍将保持较高的增长速度，随着工业化、城镇化的加快推进，可以预计，一定时期内重金属等污染物排放仍将保持一定的增长势头，我国重金属污染形势将越发严峻，如水资源的重金属污染。若不加以有效遏制、控制和修复，付出的环境与生态代价将更大，损害食品安全和公众健康的问题将更突出。对于重金属的检测方法，随着科学技术的进步，将会出现更多有效快捷的检测方法。本人提及的上述检测方法在实际应用中，更多的是将两种或两种以上的检测方法综合运用，以达到最佳效果。对食品重金属污染的有效治理，政府发挥着污染监管、综合治理、产业促进等重要作用，相关政策措施对环境修复产业的发展具有深刻影响。在监管方面，根据相关标准，加强工农业生产过程监管，对相关企业排放物及矿产资源开发活动区域周边环境质量开展污染物监测与专项执法检查，加强对存储设施、治污设施、处理设施及其周边环境的管理，并加强整治；在未受污染的食品保护方面，在保护区域内严格产业环境准入。实施科技驱动，加强技术集成与创新研究重金属污染治理，需要具备对应全污染链条各环节的完整技术体系的修复治理技术体系。目前，无论是生物措施、化学措施还是工程措施，治理技术尚显单一，需组织研究力量进行系统化集成研发，并对处于研究阶段的措施进行工程化改造。同时，还需要借鉴、引进国外环保方面的先进理念和经验，集成创新污染治理各环节、不同污染类型的治理技术体系。致谢：在本论文撰写过程中，我要特别感谢我的导师给与我的的指导与督促，同时感谢我身边的同学与朋友的帮助。在我阅读文献遇到困难和不懂的问题时他们能给我一些启示，没有他们的帮助也就没有这篇论文。求学历程是艰苦的，但又是快乐的。感谢我的班主任老师，谢谢他在这四年中为我们全班所做的一切，他不求回报，无私奉献的精神很让我感动，再次向他表示由衷的感谢。在这四年的学期中结识的各位生活和学习上的挚友让我得到了人生最大的一笔财富。在此，也对他们表示衷心感谢。谢谢我的父母，没有他们辛勤的付出也就没有我的今天，在这一刻，将最崇高的敬意献给你们！本文参考了大量的文献资料，在此，向各学术界的前辈们致敬！参考文献：[1]方红,杨晓兵.电感耦合等离子体原子发射光谱法测定化妆品中砷、铅、汞[Z].光谱实验室,2021.[2]孔祥瑞.必需微量元素的营养生理及临床意义[M].合肥:安徽科技出版社,1982.393.[3]付晓萍.重金属污染物对人体健康的影响[J].辽宁城乡环境科技,2021,24(6):8-9.[4]Lewis,R.J.,etal.Sax’sDangerousPropertiesofIndustrialChemicals,8thEd..NewYork:VanNostrandRheinhold,1992.[5]AgencyforToxicSubstancesandDiseaseRegistryToxicologicalProfileforLead,Atlanta,GA:De-partmentofHealthandHumanServices，2021.[6]Goyer,R.A.Toxiceffectsofmetals.In:Klaassen,C.,ed.,Casarett&Doull'sToxicology:TheBasicScienceofPoisons,NewYork:McGraw-Hill,1996：691-737.[17]TadeuszK,MalgorzataM,TrojanowiczM.InhibitiveDeterminationofMer-curyandOtherMetalIionsbyPotentiometricUreaBiosensor[J].Biosensors&Bioelectronics,2021,15∶681-691.

引力波的实验探测给我们的启示摘要：引力理论的发展经历了数百年，从牛顿到爱因斯坦，从万有引力定律到广义相对论。在这过程中，科学家们引力波的预言质疑不休、争论不止。而引力波的实验探测无疑证明了一切。引力波的发现，弥补了爱因斯坦的广义相对论的漏洞，也确定了他的理论的正确。这是人类史上出现的又一契机，它将为人类社会带来重大变革。“破五”是中国传统迎财神的日子。2016年的这一天，却一个让全世界物理学界沸腾的日子，甚至许多的物理学家为之痛哭流涕——被预言已经百年的引力波，终于被探测到了。引力是什么？在今天人们所知道的物质的四种基本相互作用中，引力作用为最弱。四种相互作用按作用强度比例顺序是：强相互作用(1),电磁相互作用(10),弱相互作用(10),引力相互作用(10)。因此，在研究基本粒子的运动时，引力一般略去不计。但在天文学领域内，由于涉及的对象的质量极其巨大，引力就成为不仅支配着天体的运动，而且往往是天体的结构和演化的决定因素。引力并不是一种所谓的“力”，而是一种属性。牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中首次提出万有引力定律，基于此，他结识了彗星的运动轨道和地球上的潮汐现象，并根据万有引力定律成功地预言并发现了海王星。万有引力定律出现后，才正式把研究天体的运动建立在力学理论的基础上，从而创立了天体力学。简单的说，质量越大的东西产生的引力越大，地球的质量产生的引力足够把地球上的东西全部抓牢。1905年，爱因斯坦提出狭义相对论，突破了绝对时间和绝对空间的概念，否定了瞬时超距作用，从根本上动摇了建立在这些旧观念基础上的牛顿引力理论。经过十年的探索后，爱因斯坦于1915年提出了迄今为止最成功的近代引力理论——广义相对论。广义相对论中，引力被归咎于时空的弯曲。这种弯曲是由物质造成的，物质的质量越大，所形成的扭曲也就越严重。但是这种弯曲，对于人类来说根本感知不到，一是因为人类伴随这种弯曲一起弯曲了，而是由于这种弯曲太微小。大质量物体发生的扭曲引起了震动，而这种震动，就是引力波。科学家们通过探测这种时空震荡，来证实引力波的存在。早在1916年，爱因斯坦在广义相对论中就预言了引力波的存在。而科学家们普遍认为，这次LIGO这一发现是爱因斯坦相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”，证实了爱因斯坦广义相对论的正确性，弥补了爱因斯坦的广义相对论的漏洞，验证了已故科学家爱因斯坦的预言。探测的仪器叫做迈克尔逊干涉仪，或是LIGO。LIGO的“两条腿”都有4千米长，最近的一次升级就花去了几十亿美元。LIGO的原理是什么？简单来说是利用光速不变，在同样的直线路程里测试耗时，而通过时间的偏差（尽最大可能排除误差，也是耗资巨大的原因）来判定空间确实存在震动。这样的实验设置基于爱因斯坦的假设：光速不变，是因为以光的视角看，它沿途经过的空间发生了折叠伸缩。可能的引力波探测源包括致密双星系统（白矮星，中子星和黑洞）。在2016年2月11日，LIGO科学合作组织和Virgo合作团队宣布他们已经利用高级LIGO探测器，首次探测到了来自于双黑洞合并的引力波信号。在过去的数十年里，许多物理学家和天文学家为证明引力波的存在进行了大量研究。其中，泰勒和赫尔斯由于第一次得到引力波存在的间接证据荣获1993年诺贝尔物理学奖。到目前为止，类似的双中子星系统已经发现了近十个，但是双黑洞系统却是首次。在实验方面，第一个对直接探测引力波作伟大尝试的人是韦伯。虽然他的共振棒探测器最后没能找到引力波，但是韦伯开创了引力波实验科学的先河，为如今的硕果打下了基础。因为在地面上很容易受到干扰，所以物理学家们也在向太空进军。欧洲的空间引力波项目eLISA（演化激光干涉空间天线）。eLISA将由三个相同的探测器构成为一个边长为五百万公里的等边三角形，同样使用激光干涉法来探测引力波。此项目已经欧洲空间局通过批准，正式立项，目前处于设计阶段，计划于2034年发射运行。作为先导项目，两颗测试卫星已经于2015年12月3日发射成功，目前正在调试之中。中国的科研人员，在积极参与目前的国际合作之外之外，也在筹建自己的引力波探测项目。引力波的实验探测引起了世界范围的轰动，这些探测极其不易，宇宙中发生爆炸性的大事件时产生的引力波，才相对容易探测到，例如黑洞合并、星系合并、超新星爆炸等。100年前，爱因斯坦在预言引力波存在时就曾说：“这些数值是如此微小，她们不会对任何的东西产生显著的作用，没人能够去测量它们。”蔡一夫给出解释：“时间发生得越早，距离越远，越会在宇宙中传播期间被红移。红移指的是由于宇宙本身的膨胀将所有的波动的波长拉直拉平，这样其波动性就难以被探测到。例如，这次LIGO探测到的引力波，是13亿年以前两个大约30个太阳质量的黑洞并合所产生的引力波，振幅之小，是在原子核尺寸的千分之一的尺度。能探测到真的是非常不容易，LIGO实验组的科学家们也是在几十年里经历多次挫折，不断调整方案，改进仪器，才最终探测到的。”所以它的成功探测也标志着在这个领域人类的技术进步到了前所未有的水平。而它所具有的里程碑意义不止在科学情感上，更在于能够打开人类的一个新的世界——每个人都对它满怀期待。如果电磁波探测是人类的眼睛，那么人类又多了一双聆听外界的耳朵。马克斯·普朗克引力物理研究所说：“在《星际穿越》和《三体》中，都不约而同地将引力波选为了未来科技发达的人类的通讯手段，这也许只能是美好的幻想，但对于天文研究而言，引力波的确开启了一扇新的窗口。吹进来的第一缕清风，就带来了一个重大的信息：极重的恒星级双黑洞系统存在并可以在足够短的时间（10亿年）内并合。这是让我们始料未及的。谁能知道在将来的更多的探测中，LIGO和一众引力波探测器能带给我们什么样的惊喜呢？”引力波有两个非常重要而且比较独特的性质。第一：不需要任何的物质存在于引力波源周围。这时就不会有电磁辐射产生。第二：引力波能够几乎不受阻挡的穿过行进途中的天体。比如，来自于遥远恒星的光会被星际介质所遮挡，引力波能够不受阻碍的穿过。对于天文学家来说，这两个特征允许引力波携带有更多的之前从未被观测过的天文现象信息，而每一个电磁波谱的打开，都会为我们带来前所未有的发现。天文学家们同样期望引力波也是如此。而引力波本身的性质也可能对基础物理学产生巨大的影响。另外，引力波蕴含的，很可能是宇宙诞生的画面。我们从小都被告知一个最著名的猜想——宇宙是在一场爆炸中诞生的。这意味着，在时空的开始，宇宙又一次最为剧烈的震动。引力波就能让我们还原这个震动——它是否存在？有多大规模？不仅如此，引力波还能传递信息——我们看不到的宇宙空间在发生什么？据科学家解释，这次的引力波就是在遥远的距离上巨大的黑洞变化引起的。而这一结果也证明了黑洞真实存在——至少是广义相对论预测的由纯净、真空、扭曲时空组成的完美圆形物体。并且，引力波传递的信息可以让科学家更精确地估计宇宙膨胀的速度。总而言之，一个新的重大科学发现，总会给人类社会带来无法预估的发展。18世纪面熟电磁波的麦克斯韦理论确认的时候，也没人知道会给人类带来什么，但是现在不管是电视机还是移动电话，都与电磁现象有关。引力波的发现类似当年的发现X光一样，是一种工具。有了这个工具，我们可以利用引力波的观察，去观察遥远的宇宙的现象。发现暗物质、时空穿梭等等才是有可能实现的事情。如果没有引力波，以我们现有的技术是做不到这些科幻世界才有的事情的。“既然引力波是存在的，基于引力波的科研思路可信性就大大提高了。就好像走一条未知的路，走到半路，有人怀疑不对，结果证实是对的，那么就可以加快步伐了。”苏萌说。世界各国都加大了探测研究引力波的力度，我国也紧跟探索引力波的步伐。“天琴计划”参与者、中山大学天文与空间科学研究院院长李淼教授介绍，“天琴计划”是我国自主开展空间引力波探测的可行方案，发射三颗卫星探测引力波，该计划预期执行期为2016~2035年，分四阶段实施。项目还将挖山洞，建观测站以及建设综合研究大楼。预计拟投三亿启动。天琴计划预期执行期为2016-2035年，分四阶段实施：（1）2016-2020年：完成月球/深空卫星激光测距、空间等效原理检验实验和下一代重力卫星实验所需关键技术研发。主要研发成果包括：新一代月球激光测距反射器、月球激光测距台站、高精度加速度计、无拖曳控制（包含微推进器）、高精度星载激光干涉仪、星间激光测距技术等；（2）2021-2025年：完成空间等效原理检验实验和下一代重力卫星实验工程样机，并成功发射下一代重力卫星和空间等效原理实验卫星。主要研发成果包含：超静卫星平台、高精度大型激光陀螺仪以及进一步提高加速度计、无拖曳控制、高精度星载激光干涉仪、星间激光测距等技术；（3）2026-2030年：完成空间引力波探测关键技术，完成卫星载荷工程样机；（4）2031-2035年：进行卫星系统整机联调测试、系统组装，发射空间引力波探测卫星。李淼介绍，“天琴计划”的出发点是切实根据我国的技术能力实际和未来几十年的发展前景，提出我国自主开展空间引力波探测的可行方案。在目前讨论的初步概念中，天琴将采用三颗全同的卫星构成一个等边三角形阵列，每颗卫星内部都包含一个或两个极其小心悬浮起来的检验质量。卫星上将安装推力可以精细调节的微牛级推进器，实时调节卫星的运动姿态，使得检验质量始终保持与周围的保护容器互不接触的状态。这样检验质量将只在引力的作用下运动，而来自太阳风或太阳光压等细微的非引力扰动将被卫星外壳屏蔽掉。高精度的激光干涉测距技术将被用来记录由引力波引起的、不同卫星上检验质量之间的细微距离变化，从而获得有关引力波的信息。“天琴”的卫星将在以地球为中心、高度约10万公里的轨道上运行，针对确定的引力波源进行探测。这样的选择能够避免测到引力波信号却无法确定引力波源的问题。中国科学院也于2016年2月16日公布了空间引力波探测与研究的“空间太极计划”。按照这一计划，我国将在2030年前后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引力波的直接探测。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，以及其他的宇宙引力波辐射过程。中科院力学研究所胡文瑞院士表示，“我国目前的技术能力与国际先进水平还有一定的差距，这种差距可以通过良好的国际合作得到一定的弥补。”胡文瑞说，“空间太极计划”是一个中欧合作的国际合作计划，目前有两个方案：方案一是参加欧洲空间局的eLISA双边合作计划；方案二是发射一组中国的引力波探测卫星组，与2035年左右发射的eLISA卫星组同时遨游太空，进行低频引力波探测。据介绍，空间引力波探测被列入中科院制订的空间2050年规划。2008年由中科院发起，中科院多个研究所及院外高校科研单位共同参与。引力波的发现是感人至深的，它印证了一位物理学大师的睿智伟大，为年富力强的物理学家们增添了信心和安慰。在理性上，引力波的发现更是激动人心的，人类的历史将会改写，一切都是未知，未知也许会更加美好。参考文献：[1].柏格曼著，周奇、郝苹译：《相对论引论》，高等教育出版社，北京，1961。(P.G.Bergmann,IntroductiontotheTheoryofRelativity,Butterworths,London,1958.)[2].温伯格著，邹振隆译：《引力和宇宙论》，科学出版社，北京，1979。(S.Weinberg,GravitationandCosmology,JohnWileyandSons,NewYork,1972.)[3].北京:科学出版社,1977.J·韦伯著,陈凤至,张大卫.《广义相对论与引力波》[4].《引力波与引力波探测》李芳昱、张显洪[5].《引力、引力波和引力波的探测》薛凤家，《大学物理》[6].《空间时间引力》（美）沃尔德史新奎金丽莉[7].《自然哲学的数学原理》艾萨克牛顿1687[8].《原理》艾萨克牛顿[9].《论引力波》爱因斯塔1918[10].《广义相对论》刘辽，赵峥-2004[11].《广义相对论与现代宇宙学》须重明-南京师