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独家深度解读引力波，全人类将迎来历史新起点？

造就 · 公众号 · 科技自媒体 · 2017-10-03 19:10

正文

在各界对2017年诺贝尔物理学奖的预测中，引力波领域都是最大热门，获奖可以说是众望所归。遗憾的是，在LIGO的三位最初发起者中，加州理工学院物理学荣休教授罗纳德·W.P·德雷福（Ronald W.P.Drever）在今年3月6日于爱丁堡逝世。

如今，Rainer Weiss、Kip S.Thorne、Barry Barish三人凭借对LIGO探测器和引力波观测的决定性贡献（for decisive contributions to the LIGO detector and the observation of gravitational waves）获奖，也算可以告慰爱因斯坦、约瑟夫.韦伯、德雷弗等历代先贤在天之灵。

所谓LIGO系统，是由两个相距1865英里的孪生探测器组成。每个探测器拥有两个长4公里的L形真空管，科学家会在其中发射激光束。

随着激光束到达真空管的末端，它会碰到镜子并被反射回相反的方向。在所有条件一样的情况下，两束激光理应在同一时间返回发射源。由于干涉效应的作用，这会让射向光子探测器的光线相消。

然而，如果引力波通过了探测器，根据阿尔伯特·爱因斯坦在100年前做出的预言，这种波会拉伸一个真空管的长度，同时收缩另一个真空管的长度，从而破坏上述完美的干涉相消机制，让光线到达光子探测器。

如今，大约有950名科学家参与了LIGO的研究工作，他们来自全美各地以及另外15个国家的大学院校，曾经光临造就做专题演讲的曹军威，就是国际激光干涉引力波天文台（LIGO合作组织）的中国负责人。

曹军威

对于引力波领域获得诺奖的消息，曹军威回复：

“

这一探测证实了阿尔伯特·爱因斯坦1915年发表的广义相对论的一个重要预言，并开启了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口。

清华大学信息技术研究院LIGO科学合作组织工作组参与了引力波直接探测并作出贡献。

中国亟需自主建设引力波天文台、培养跨领域人才、加强国际合作，进而带动技术创新和科学发现，推动我国引力波研究的发展。

以下是曹军威在造就关于引力波的精彩演讲：

各位朋友下午好。我叫曹军威，来自清华大学。我是国际激光干涉引力波天文台（LIGO合作组织）的中国负责人。

我今天演讲的题目叫《你所不知道的引力波之美》。我2004年加入美国麻省理工学院激光干涉引力波天文台的实验室，2006年回国，在清华大学创建了LIGO工作组，2009年我们加入LIGO。

我们加入这个组织工作了6年之后，在2016年2月11号，国际LIGO合作组织宣布直接探测到“引力波”。

今天我们想跟大家主要介绍三个方面的问题。

什么是“引力波”？
我们怎么探测“引力波”，为什么很难探测？
为什么我们认为探测到的是“引力波”而不是其他？

从科学工作者的角度，我会给大家一个非常详尽的介绍。什么是“引力波”？“引力波”从哪来？到底科学家直接看到了什么？

我们直接看到的是这样的一个波形。

这两个波形在距离3000公里的美国两个激光干涉引力波天文台被同时监测到。距离3000公里，光从一个天文台走到另外一个天文台的速度是10毫秒。

实际上这两个波形它们之间相差了6.9毫秒。当我们把一个模型平移了6.9毫秒以后，把两个曲线重合起来，大家可以看到关键的部分有非常高的重合度。这个就是我们观测到的引力波的信号。

讲“引力波”的时候，我们会说听到了宇宙的声音。很多年前我们有了望远镜，我们说这叫看到了宇宙。当引力波信号输入到音频以后，我们能听到什么？

最后一下，我们能听到“Biu”的一声，在频率上它已经非常非常突出了。所以我们说听到了“引力波”的声音。

“引力波”从哪里来？

双黑洞。

大家可能都听说过黑洞，它的质量很大，连光都逃逸不了。只有大质量的物体在剧烈的天体运行中，我们才有可能探测到“引力波”。

这对双黑洞的并合经过了三个过程，第一个过程是旋进，过程中放出“引力波”。放出的能量使得它们旋进的速度越来越快，它们的距离也越来越近，当它们近到一定程度以后，两个黑洞就会碰撞到一起。

第二个过程是碰撞，实际上就是一个“引力波”发射的过程。

第三个过程是衰减，它们形成了一个新的黑洞。这就是我们观测到的“引力波”的一个波源，我们称为“双黑洞合并”。

这个过程释放了“引力波”的意思是：有超大质量的物质，通过运动对引力场做了搅动，引力场中间的波动我们称为“引力波”。

双黑洞合并释放“引力波”这个过程，不仅仅是两个黑洞在旋绕，还包括了它周围引力场的变化。它们合并以后，会释放大量的“引力波”，我们称为“引力场中的波动”，这种波动携带了巨大的能量。

什么是“引力波”？

这要回到1915年爱因斯坦的广义相对论。

广义相对论想在几分钟之内跟大家讲清楚，是一件不太可能的事情。不过可以给大家说一个最基本的概念：物质和时空是互联的。

无论是这么大的天体还是一个人，都是一个物质的存在。而物质存在的同时，周围是有时空把物质联系在一起的。

最直观的解释就是太阳和地球之间的关系。为什么地球会绕着太阳转？牛顿的解释是因为万有引力。引力是一个超距作用，引力和质量成正比，和距离成反比。

爱因斯坦则从另一个角度来解释。他不相信引力的传播会是超距作用。他认为如果有一天太阳突然消失了，地球会怎么样？地球可能就会飞出去。

地球怎么会知道太阳消失了呢？它为什么会飞出去？爱因斯坦就解释，太阳如果消失了，它的引力场就会变化，这件事通过引力场的变化传递给了地球，地球知道太阳消失了，于是它就飞出去了。这个关系叫物质引导时空弯曲。

我们刚才讲了，有物质的同时，还有一个场的存在。而这个场就是时空。太阳因为质量很大，他把时空做了弯曲，地球并不是心甘情愿围绕太阳转，它以为自己在走直线，但是它实际上受到太阳所形成的时空弯曲的引导。

时空引导物质运动，所以地球会围绕太阳转。物质跟时空是互联的，这个互联就体现在“引力波”和能量的交换。

在正常情况下不同时空之间很难发生作用。但在极端的天体条件下，比如我们这次探测到的黑洞并合的瞬间，发出了巨大的能量，以波的形式，从其他时空传递过来，到达了地球。

在广义相对论的基础上，爱因斯坦于1916年预言了引力波的存在。他认为任何加速运动的物质都会发出引力波。也就是说我跑两步，你走两步也可以有引力波，但这个引力波强度非常微弱，很难探测出来。

引力波会对时空产生什么样的作用？在多极的情况下，它在一个方向上会拉伸时间和空间，在另一个方向上会压缩时间和空间。

这个怎么理解？形象的理解就是：一张桌子，你用普通尺子去量，它是1米长。但如果尺子变了，你去量的时候，发现了这个桌子的长度也变化了。引力波导致的是尺子的变化而不是物质的变化。

双黑洞合并导致时空弯曲，释放出这个引力波的过程中，如果我们把时空的效果再加进去，会是一个什么样的情况？

我们附加了下边这条线，是我们探测到的引力波的实际一个曲线。这是在不到1秒的时间内发生的一个事件：两个黑洞已经非常非常接近了，它们的旋进导致引力波的放出，然后旋进越来越近。

大家能看到不仅仅是两个物质间的运动，实际上是它们时空之间的相互作用。

当时空的弯曲作用逐渐接近，进入到非常剧烈的一个并合过程，在很短的瞬间释放出了巨大能量的引力波，使得这两个黑洞并合在了一起。这就是我们探测到的过程。

为什么引力波很难探测？

一是因为引力波源距离我们很远，二是即便有引力波，它跟物质的相互作用极小，一个引力波扫过你，你可能根本就没有任何的感觉。

在地球上一个氢弹的爆炸，所产生的引力波的量级是10的负27次方时空上的变化，这是我们无论如何也探测不到的。

必须有大质量天体的极端运动，才能产生足够让人类现在能探测到的引力波。这个量级有多少？

我们这次探测到了在10的负18次方时空里，有四个格之间我们发现了其中一格的空间晃动了一下。

为了探测到这个信号，我们建造了一个激光干涉引力波天文台，它台的臂长有4公里长，两个臂是垂直的，都有4公里。这里能看到光学的激光器件，信号是从这里被探测到。

这个天文台的基本工作原理是：一束激光打出来，翻成两束，再反射回来，如果两臂绝对等长，那在成像仪上就没有信号。

如果由于引力波的作用使得一个臂压缩，另一个臂拉伸，那就会在这个成像仪上产生信号。

时空都是相对的，唯有光速是绝对的，所以我们要借助激光这个媒介来测量空间的弯曲。

我们来回放一下：我们想象的宇宙空间里，有着像水波纹一样的时空分布。

如果这里面有像黑洞这么大的物质，开始在里面对时空进行搅动的话，它就会不断地释放出引力波，这个引力波是在物质周围，跟物质联系在一起。

旋转越快、越近，引力波放出的能量就越大。最终这两个黑洞并合在了一起。

经过我们后面的推算，我们探测到的这个引力波信号，发生在13亿年前，经过了很多很多星系，最终来到了地球，这个过程只有一秒的时间。

而我们就在这一秒的之前的一个礼拜，把两个天文台做好了，刚刚好可以达到能探测到它的精度。

所以你说幸运不幸运？你说美不美？

通过我们的波形，推算出这两个黑洞的质量，一个相当于太阳质量的29倍，一个相当于太阳质量的36倍。并合以后的黑洞是62个太阳质量。

也就是说在不到1秒里面，有三个太阳质量的能量，瞬间从物质导入了时空，产生了一个巨大的引力波。

大家可以想象这个量级：太阳已经存在了45亿年，而且还将存在45亿年，它生命全过程中释放出来的能量，供地球用都用不完。

而三个太阳质量的能量，在不到一秒钟的时间内释放了出来，经过了13亿年传到了地球，我们才有机会在不到1秒的过程中捕捉到它、探测到它，这就是事件全过程。

为了做到这件事，我们的探测器达到了很多人类所能达到的技术极限。

第一是探测臂外面有一个罩，里面是一个真空腔，这是全世界最大的真空系统，4公里长。

而且我们等于有两个这种真空系统，它们在中间交叉了一下。因为真空能避免各种分子运动在空气中的干扰，所以我们要在真空里才把激光束打出。

我们打的激光也不能是一般的激光。必须是能量高又稳定的激光才能实现精密测量。

反射这激光的镜面必须质量非常好，激光打上去以后，由于热运动镜面开始变形，而必须排除各种干扰，我们才能探测到10的负18次方这样的精度，所以这个镜面也是特殊制造的。

悬挂这个镜面的机械装置是最稳定的一个振动隔离系统，外边不论怎么振，这个镜子必须不动。

最后，我们需要一个数据的采集和分析系统。我本人是计算机专业出身，所以我更多的工作是放在这个系统上。

2015年9月14日，5点51分，这个信号被捕捉到，进入到我们的数据分析系统。

9月14号5点54分，在3分钟之后，我们在线的程序流水线就发出了警告，告诉我们有这样一个信号值得关注。

这个程序流水线的名字叫Coherent WaveBurst，它做了一件非常简单的事情：计算这个波形的能量变化。

发现在两个天文台捕捉到这样的能量变化，而且时间差距在10毫秒以内，我们就把这个信号提取出来。认为这可能是一个引力波信号。

前面我们既讲了什么叫引力波的基础理论，又讲了我们怎么探测到引力波。下面我就讲一下，为什么我们这么确信这个信号就是个引力波，而不是其他的东西？

我们把收集到的16天的数据都输入到这张图里面去，大家可以看到，左边是代表我们所有的信号的背景，右边这个点就是我们探测到的信号。

探测到的信号，远离我们整个数据的背景，远离的程度是多少？它的信噪比在23以上，它在天文上的标准显示度达到了5.1σ值。在天文上，5以上我们认为就是一个新发现。

我们没有机会对黑洞放出的引力波做实证的对比，因为我们现在还没有任何方式能观测到黑洞。那么我们做了一个仿真的对比。

上面是一个黑洞并合的过程，这个红线叫数值广义相对论的一个仿真曲线，这个灰线是从第一张PPT的数据中重构出来的——一个我们认为是引力波的曲线。

大家能看到这两个曲线的相似度在99%以上。在旋进并合到渐退的过程，它从35赫兹到350赫兹，在不到一秒的过程中剧变然后消退。

这不是一个普通的噪声所能伪装出来的信号，一个噪声想伪装成这样的一个信号的概率，20万年才会有一次。这件事加强了我们的信心。通过这样一个对比，我们非常有信心：这是一个引力波的信号。

这项工作，有来自全世界一百多个科研机构的上千名科学家参与。从90年代开始建设天文台，到现在探测到引力波，历经20余年，清华大学是中国的唯一的参与单位。

这件事的理论意义，我想用这句话是最准确的概括了：

引力波的探测，是爱因斯坦在1915年提出的广义相对论在最极端最严格情况下的一个验证。等于说是填补了广义相对论四大验证中最后的一块板块。

在天文上的意义在于说我们开始能够听到宇宙，打开了一扇探索宇宙的新窗口，开启了引力波天文学的一个新时代。

未来的工作很简单，这张图标识了我们用两个天文台来定位引力波源的一个精度。

这个精度还是很粗糙的，它不足以支撑我们未来精确的引力波天文学的研究。

未来我们要建设全球的引力波探测网络，这样的一个网络在美国已经运行，在欧洲和日本建设，甚至在印度也开始筹划，中国也在紧锣密鼓的计划中国主导下的引力波天文台的建设。

很多人都问我，你这个东西有什么用呢？

现在我可以明确地告诉大家，没有现实意义上能挣钱的应用。但是我想最起码在刚才的几十分钟里，它给我们了一个机会，让我们大家在一起去仰望星空。

引力波到底美不美？从刚才我给大家介绍的一系列数字之中，大家可以来想像自然和宇宙是如此的神奇。

13亿光年，65个太阳质量，在一秒钟之内放出了这么大的能量，而在10的负18次方的量级上探测到引力波的存在。

实际上我想讲的并不是自然有多神奇，我更想强调的是，人类居然能够理解这件事，是不是更神奇？居然有爱因斯坦这样的人，在100年前就写下了方程，预言到了这件事。而在100年后，居然有人就能做出这样的仪器，把它探测出来。

所以我想到底美不美，大家每个人心中都有你们自己的一个答案。

很多人也问我，到底时空穿越，星舰文明有没有可能？我想没有不可能的事情。

在演讲的结尾，曹军威说：

如果有一天，我们有了远航的星舰文明，它将会回想和2016年2月11号这一天，人类探测到引力波。这是一个历史的起点，而不是终点。

造就说：

公元2017年10月3号这天也将会被永久铭记，人类正式开启了引力波天文学的新时代，形成引力波观测触发下的多信使天文学。

造就还曾经独家专访LIGO实验室首席探测科学家彼得·弗雷斯切尔，深谈引力波探测细节：

三位获奖者

基普·索恩（Kip S. Thorne）

基普·索恩是美国理论物理学家，担任加州理工学院费曼理论物理学教授，是世界上研究广义相对论下的天体物理学领域的领导者之一，他的主要贡献在于引力物理和天体物理学领域.很多活跃于相关领域的新一代科学家都曾经过他的培养和训练。

基普·索恩曾担任影片《星际穿越》的科学顾问，《星际穿越》上映前后，"诺兰的Group"会至少发两篇论文，一篇黑洞物理，一篇计算机图形。2016年5月31日，获得邵逸夫天文学奖。2016年12月4日，获特别基础物理学奖（共同获奖）。

索恩的研究方向主要为相对论天体物理学和引力物理，着重于对相对论性星体和黑洞，特别是引力波的研究。

对于公众而言，索恩最著名且富有争议的理论可能就是他关于虫洞或许能够作为时间旅行工具的假说。不过，索恩真正的科学贡献其实涵盖了广义相对论里以时空和引力本性为中心的几乎全部的话题。

长久以来，索恩给予了LIGO尽可能多的理论支持，包括指明了LIGO所要探测的目标波源，设计了光束管道中用来控制散射光的反射板。

他还和莫斯科的弗拉基米尔·布拉金斯基的研究小组合作研究开发了用于新一代引力波探测器的量子非破坏性测量（QND）器件设计，并提出了降低影响引力波探测器的主要噪声之一，即热弹性噪声的数种解决方案。

雷纳·韦斯(Rainer Weiss)

雷纳·韦斯，1932年出生于德国，麻省理工学院（MIT）物理学家，1966年便设想出一种探测引力波的方法，2015年9月1000名利用激光干涉引力波天文台（LIGO）开展研究的物理学家在两个巨大黑洞位于距地球10亿光年的地方相互围绕着旋转时，探测到其辐射出的脉冲波。2017年9月21日，获得第二届“复旦-中植科学奖"。

关于韦斯教授，造就曾发布过由《麻省理工学院新闻》（MIT News）做的专门访谈。（传送门 | 独家专访LIGO首席科学家：引力波可以用来发现外星人吗？）

巴里.巴里什（Barry Barish）

巴里.巴里什，加州理工大学教授，LIGO实验室现任主任，领导了LIGO建设及初期运行，建立了LIGO国际科学合作，他把LIGO从几个研究小组从事的小科学成功地转化成了涉及众多成员并且依赖大规模设备的大科学，最终使引力波探测成为可能。

业界先贤

约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）

约瑟夫·韦伯，美国物理学家。1969年，韦伯宣称，他已取得很多人认为是不可能的成就：探测引力波。这一宣布使人们立即对韦伯刮目相看，全美各地纷纷邀请他去做报告。但韦伯的名望很快遇到了挑战，越来越多的人开始怀疑他所得出的结果的正确性，展开旷日持久的大论战。

1969年底，韦伯在权威杂志《物理评论快讯》上列出一系列零时延迟事件的超出值，并声明这是真正的引力波迹象。这意味着，他探测到的每一个脉冲将意味着比人们所能想象得出的事件所爆发的能力还要高出几百万倍的引力波的闪烁。理论家们想象某个位于银河系中心的黑洞可能会发射出强烈的引力波。人们开始相信韦伯的结论，天文学家们着手寻找引力波的可见迹象，他们每年都要搜索成千上万颗恒星。

罗纳德·德雷弗（Ronald W.P Drever）

罗纳德·德雷弗，美国加州理工学院物理学荣休教授。1931年出生于英国格拉斯哥，1953年于英国格拉斯哥大学取得理学士学位，并于1958年于该校取得自然哲学博士学位。2016年9月27日获邵逸夫天文学奖。2017年3月6日在爱丁堡安详逝世。

他在加州理工学院分别担任客座硏究员(1977)、教授(1979–2002)和荣休教授(2002–)。他是美国人文与科学院院士及爱丁堡皇家学会院士。

2016年9月27日晚，邵逸夫奖2016年度颁奖礼在香港举行。罗奈尔特·德雷弗、雷纳·韦斯、基普·S·索恩获得邵逸夫天文学奖，以表彰他们对“激光干涉仪重力波观测站”(LIGO)的构思和设计。LIGO最近首次直接观测到重力波，为天文探索开创了一个新方法，而它首先侦测到的非凡事例，是两个星级质量的黑洞合并。