編者按：
“我們發(fā)現(xiàn)了引力波！我們做到了！” 北京時(shí)間2016年2月11日23:40左右，激光干涉引力波天文臺（LIGO）負(fù)責(zé)人、加州理工學(xué)院教授David Reitze宣布，LIGO發(fā)現(xiàn)了引力波。
《知識分子》邀請德國馬普引力物理所、清華大學(xué)博士后、LIGO科學(xué)合作組織成員胡一鳴對引力波探測進(jìn)行解讀。
明日將繼續(xù)刊出美國德州奧斯汀大學(xué)理論物理博士張?zhí)烊氐慕庾x文章，敬請期待。
文 | 胡一鳴（德國馬普引力物理所、清華大學(xué)博士后，LIGO科學(xué)合作組織成員）
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LIGO負(fù)責(zé)人、加州理工學(xué)院教授David Reitze宣布，LIGO發(fā)現(xiàn)了引力波。視頻來源：LIGO新聞發(fā)布會直播
海倫·凱勒自幼耳目不通，生活在無盡的黑暗與寂靜中。她體會到視聽感官被剝奪的痛苦，所以更加珍惜生命的可貴，寫下了傳世之作《假如給我三天光明》，感動(dòng)無數(shù)人。
然而，誰又能想到，其實(shí)人類在面對浩瀚的宇宙時(shí)，從來都是只能遠(yuǎn)觀而不可聆聽。望遠(yuǎn)鏡越來越大越來越靈敏，卻僅僅讓天文學(xué)家“目明”而不能“耳聰”。人類認(rèn)識的宇宙，一直是一片寂靜。
2015年9月14日，一個(gè)不管怎么看都十分平常的日子。然而在后世的歷史中，一定會如此記載：這一天，人類認(rèn)識宇宙，又多了一種新的武器。從此，人類不再只用眼睛去看，面對宇宙，更是洗耳恭聽。這一切，僅僅是因?yàn)閮蓚€(gè)叫做高新激光干涉引力波天文臺的引力波探測器，在一個(gè)寧靜的夏夜，搜尋到了一陣時(shí)空的漣漪。隨之載入史冊的，也有這串漣漪的名字：GW150914，在2015年9月14日探測到的引力波（GW）。
當(dāng)然，在后世的考古學(xué)家考據(jù)這段歷史時(shí)，也許早就記不清，這是在十幾億光年外，兩個(gè)分別為29倍太陽質(zhì)量和36倍太陽質(zhì)量的超恒星級黑洞并合產(chǎn)生的信號；也大概不會記得并合發(fā)生在北京時(shí)間下午5：51；或許早就已經(jīng)忘卻，這個(gè)信號在從20Hz躍升到150Hz的并合頻率時(shí)只用了不到0.2秒的時(shí)間；更甚至，連它是來自南天球這一點(diǎn)都會被湮沒在歷史的塵埃中；腦洞開得再大一點(diǎn)，也許未來的科學(xué)家早就用更高效的方法探測或產(chǎn)生引力波，以至于用激光干涉探測引力波這樣的想法顯得如同史前時(shí)代一般。
然而，他們一定會仔細(xì)玩味，人類首次直接探測引力波信號的那一年，恰恰是愛因斯坦發(fā)表廣義相對論的一百周年整；而宣布這一探測的年份，又恰恰是愛因斯坦根據(jù)廣義相對論推導(dǎo)得出引力波的一百周年。
LIGO漢福德(H1，左) 和利文斯頓(L1，右) 探測器所觀測到的GW150914引力波事件。該圖展示了在兩個(gè)LIGO探測器中觀測到的由該事件產(chǎn)生的引力波“應(yīng)變”（見下文）如何隨時(shí)間（秒）和頻率（赫茲）變化。兩個(gè)圖均顯示了GW150914的頻率在0.2秒內(nèi)從35赫茲迅速增加到150赫茲。GW150914先到達(dá)L1，隨后到達(dá)H1，前后相差千分之七秒，該時(shí)間差與光或者引力波在兩個(gè)探測器之間傳播的時(shí)間一致（版權(quán)：LSC/Virgo collaboration）
引力波——跨越百年的追尋
1915年，愛因斯坦用那美妙的場方程道出了引力的奧秘——時(shí)空命令物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)，而物質(zhì)引導(dǎo)時(shí)空如何彎曲。愛因斯坦很自然地就聯(lián)想到，當(dāng)物質(zhì)在時(shí)空中運(yùn)動(dòng)時(shí)，時(shí)空會如何隨之改變呢？很快，他就得到了一個(gè)他稱之為引力波的數(shù)學(xué)解。當(dāng)一列引力波向你迎面走來時(shí)，你會忽而又高又瘦，忽而又矮又胖，并且循環(huán)往復(fù)——當(dāng)然，這個(gè)變化實(shí)在是非常的微小，所以愛因斯坦很快就斷言，引力波無法被探測到。
當(dāng)一列線性偏振的引力波向你迎面走來時(shí)，你周圍的時(shí)空會不斷壓縮——拉伸——壓縮——拉伸，循環(huán)往復(fù)（圖片版權(quán)：馬普引力所）
廣義相對論還預(yù)言出各種千奇百怪的東西來，最有名的大概就屬黑洞了。愛因斯坦對于黑洞很是花了一番時(shí)間研究，然而對于他而言，這些研究就好像是報(bào)紙上的趣味問答，好玩，有趣，有著智力的挑戰(zhàn)，但同時(shí)也沒有任何實(shí)際意義。自始至終，愛因斯坦從來沒有正兒八經(jīng)地相信過在真實(shí)的宇宙里會存在黑洞這樣的東西。
通過比較由數(shù)據(jù)重構(gòu)的引力波應(yīng)變（以在漢福德的H1探測器所接收的應(yīng)變?yōu)槔┖陀蓮V義相對論計(jì)算得出的在旋進(jìn)、并合和鈴宕三個(gè)過程的最佳匹配波形，得出的關(guān)于GW150914的一些關(guān)鍵結(jié)論。圖片下方展示了兩個(gè)黑洞的間距和相對速度隨時(shí)間演化的過程。（版權(quán)：LSC/Virgo collaboration）
GW150914,卻恰恰以5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差以上的顯著水平確認(rèn)GW150914是一個(gè)真實(shí)的信號。上面的圖片意味著，兩個(gè)黑洞在并合前——也就是引力波的頻率差不多達(dá)到150赫茲時(shí)——相距僅僅幾百公里。在這么大的質(zhì)量下靠這么近還能不發(fā)生并合的，只有黑洞了。
正如馬克斯·普朗克引力物理研究所(阿爾伯特·愛因斯坦研究所)的所長布魯斯·艾倫(Bruce Allen)所說，“愛因斯坦當(dāng)初認(rèn)為引力波太過微弱而無法探測，并且他從未相信過黑洞的存在。不過,我想他并不介意自己在這些問題上弄錯(cuò)了。”
在廣義相對論提出之后一個(gè)世紀(jì)，它的幾個(gè)重要預(yù)言意義得到了認(rèn)證。即使在黑洞并合這樣極強(qiáng)的引力場條件下，觀測得到的引力波演化也和廣義相對論的預(yù)言高度吻合。在現(xiàn)代物理學(xué)里，很少能看到這樣一個(gè)理論經(jīng)歷百年風(fēng)雨依然屹立不倒了。
對雙星并合信號的搜索，定量地顯示了同噪聲起伏產(chǎn)生的背景相比，GW150914是多么地罕見。這一搜索可以斷定由噪聲偽裝成GW50914是極端罕見的——少于每兩萬年一次——這一數(shù)值等同于高于五倍標(biāo)準(zhǔn)差的探測顯著性。
眾里尋他千百度
悄悄的我走了，正如我悄悄的來；
我揮一揮衣袖，不帶走一片云彩。
引力波，便是這樣，來無影，去無蹤。它就好像是鐵掌水上漂的輕功高手，縱使自身攜帶著巨大的能量，也能做到踏沙無痕。這因?yàn)榇?，引力波的測量才如此困難，困擾著一代又一代的物理學(xué)家。
這個(gè)原因還得從引力的性質(zhì)說起。對初中物理萬有引力公式稍作回憶，就可以想起所謂的萬有引力常數(shù)G，其數(shù)值是67x10-11m3kg-1s-2這一極其微小的數(shù)字意味著，相比其他三種基本作用力（強(qiáng)力，弱力，電磁力），引力實(shí)在是太微弱了。我們不妨把時(shí)空想象成一根彈簧，時(shí)空中的質(zhì)量變化會導(dǎo)致彈簧的伸縮。但是由于引力常數(shù)太過微小，所以時(shí)空這根彈簧非常之硬，以至于其改變量極難察覺。即使施加巨大的能量也僅僅能夠改變分毫。
這是引力波的極大的優(yōu)點(diǎn)，卻恰恰也是引力波最大的缺點(diǎn)。
說它是優(yōu)點(diǎn)，是因?yàn)樗鼧O少與物質(zhì)相互作用，所以阻隔得再厚的墻壁在引力波面前都如同透明一般。反觀傳統(tǒng)意義上的天文觀測手段，一般都使用不同光子作為觀測媒介。而光子卻很容易與物質(zhì)發(fā)生相互作用。舉個(gè)例子，太陽核心區(qū)域發(fā)出的光子在太陽內(nèi)部不斷地被吸收——輻射——吸收——輻射，平均來說，需要花上一百萬年時(shí)間才能走到太陽表面。所以，當(dāng)我們觀測到來自太陽表面的光子時(shí)，我們是沒有任何辦法直接探究太陽中心的情形的。
引力波則不然，它率性至極，一旦產(chǎn)生，便乘興而來，似乎什么都阻擋不住它的步伐，因此它包含著源的中心區(qū)域最核心的信息?？墒?，引力波的“率性”是一把雙刃劍，在帶來核心信息的同時(shí)，也讓探測極為困難。
目前的LIGO干涉儀由兩條分別長達(dá)四公里并且互相垂直的干涉臂構(gòu)成。沿著每條臂傳播的激光束在末端反光鏡（懸掛的測試質(zhì)量）處被反射。當(dāng)引力波經(jīng)過時(shí)，時(shí)空的伸縮導(dǎo)致一條臂長變長的同時(shí)另一條臂長變短。當(dāng)兩條臂的長度變得不同時(shí)，激光束在兩臂傳播時(shí)間不再相同，也就是說兩束激光束的相位不再同步，于是所謂的干涉條紋產(chǎn)生了。經(jīng)過數(shù)年升級工作的高新LIGO，能檢測出引力波所引起的小于質(zhì)子直徑萬分之一尺度的變化量來。
高新LIGO探測器簡化示意圖（未按比例顯示），對基本設(shè)計(jì)的主要改進(jìn)包括：一個(gè)光學(xué)諧振腔，使激光在單臂中來回反射多次，以加強(qiáng)引力波在激光相位上產(chǎn)生的影響；一個(gè)功率循環(huán)鏡，將干涉儀中的激光功率大幅提高；一個(gè)信號循環(huán)鏡，進(jìn)一步優(yōu)化從光電探測器中提取的信號。這些改進(jìn)使得激光功率在光學(xué)諧振腔中增強(qiáng)了5000倍，并且延長了信號在干涉儀中循環(huán)的時(shí)間。圖(a) 顯示了兩個(gè)LIGO探測器的地理位置和方位，以及光在它們之間傳播所需的時(shí)間。圖(b) 展示了在GW150914事件前后兩個(gè)探測器中儀器噪聲與頻率的關(guān)系。儀器噪聲越低，探測器對引力波的靈敏度越高。圖中的尖峰表示該窄帶頻率處有很強(qiáng)的儀器噪聲。（版權(quán)：LSC/Virgo Collaboratiom）
再看一下這一次探測到的GW150914，其釋放出的峰值功率要比可觀測宇宙中所有星系的光度總和的十倍還要多，如此巨大的能量意味著雙黑洞系統(tǒng)在短短的一秒鐘之內(nèi)將重達(dá)3倍太陽質(zhì)量（也就是大約六百萬億億億千克）的物質(zhì)通過質(zhì)能方程E=mc2轉(zhuǎn)化成了巨大的能量。要知道，太陽——這對人類而言無比巨大的能量源——每秒鐘也不過是吧40億千克的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能量。兩相比較，可謂懸殊巨大！
如果并合過程中釋放的所有能量以可見光的形式輻射出來，那么即便它發(fā)生在10多億光年之外，它仍將在一瞬間比滿月更耀眼！可是如此巨大的能量，在經(jīng)過地球時(shí)，卻僅僅耗散了10-17焦耳的能量，相當(dāng)于一個(gè)X射線光子的能量。縱是弱水三千，我只能取一瓢飲之，引力波的探測之難，亦不難想見。
引力波探測，是終點(diǎn)，更是起點(diǎn)
引力波的探測，是長達(dá)一個(gè)世紀(jì)物理學(xué)家夢幻的達(dá)成，是上千科學(xué)家數(shù)十年辛勤付出的回報(bào)，它意味著一個(gè)終點(diǎn)。
但同時(shí)，它更是一個(gè)起點(diǎn)。第一次直接探測引力波，僅僅是一個(gè)偉大時(shí)代的開端。
引力波的意義，不僅僅是驗(yàn)證廣義相對論，更對天文探測起著無比重要的作用。比如說，在正式運(yùn)行之前，幾乎沒有人會相信第一個(gè)探測到的引力波信號會是雙黑洞并合，而且是質(zhì)量如此之大的黑洞雙星。通過這一次觀測，我們知道了數(shù)十倍太陽質(zhì)量的黑洞是可以存在的，這意味著其前身星必定金屬含量比較低，同時(shí)星風(fēng)比較弱。我們還可以限制這類事件的發(fā)生率，并且預(yù)測下一次科學(xué)運(yùn)行時(shí)能有多少個(gè)探測結(jié)果。這一切，都無法通過傳統(tǒng)的電磁波天文學(xué)得到。
事實(shí)上，引力波不光具備視覺所不能及的信息，其與人的聽覺還有另一種異曲同工之妙：正如堵住一個(gè)耳朵，人就無法分辨聲音的來源，只靠一個(gè)引力波探測器，也無法確定致密雙星并合的信號。而現(xiàn)在測量致密雙星并合信號的天空來源的方法，正如同人的聽覺一樣，靠到達(dá)兩個(gè)耳朵的時(shí)間差，和到兩個(gè)耳朵的信號的強(qiáng)弱比決定。因此，以地球?yàn)槟X袋，引力波探測器為耳朵，LIGO的科學(xué)家們架設(shè)起了一座傾聽宇宙的招風(fēng)巨耳。
想不想親耳聽一下GW150914？經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，LIGO科學(xué)合作組織將它呈現(xiàn)在您的耳邊：
LIGO發(fā)現(xiàn)引力波：人類從此擁有新的宇宙感知力?0:02Bayeswave ?
引力波探測器通過信號到達(dá)不同探測器的時(shí)間差來確定信號的空間位置（LSC/Virgo）
一個(gè)世界的長跑接力抵達(dá)了終點(diǎn)，但是一個(gè)新的時(shí)代，才剛剛悄然開啟。
作為一個(gè)普通的科研工作者，有幸出生在這個(gè)時(shí)代，見證這一偉大的歷史性突破，更重要的是親身參與進(jìn)這樣的歷史進(jìn)程，我感到三生有幸。然而，哪怕你不是物理學(xué)家，一樣可以為搜索引力波做貢獻(xiàn)！
引力波的種類有很多，LIGO的科學(xué)目的除了探測來自致密雙星并合的信號外，也會搜索來自銀河系內(nèi)的中子星的連續(xù)信號。這個(gè)搜索由于需要大量計(jì)算資源，哪怕用上LIGO自己的超級計(jì)算機(jī)也不夠，所以常年征求志愿者貢獻(xiàn)CPU時(shí)間，只需要登錄http://www.einsteinathome.org/，你就可以下載Einstein@Home的程序，用你電腦的閑暇時(shí)間的空余CPU，處理來自LIGO的數(shù)據(jù)，搜索時(shí)空的漣漪。
無盡的自然之謎正在徐徐展開。我們的征途，在星辰大海！
（責(zé)任編輯 陳曉雪）
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