愛(ài)因斯坦都不敢想象, 我們真的探測到引力波

寫(xiě)在前面100年前，當愛(ài)因斯坦預測引力波的存在的時(shí)候，他不曾想過(guò)，有朝一日，人類(lèi)能夠真正觀(guān)測到引力波：這個(gè)效應是如此的微弱，無(wú)法察覺(jué)

按：本文由知社學(xué)術(shù)圈陳雁北、范錫龍教授撰文分享。

寫(xiě)在前面

100年前，當愛(ài)因斯坦預測引力波的存在的時(shí)候，他不曾想過(guò)，有朝一日，人類(lèi)能夠真正觀(guān)測到引力波：這個(gè)效應是如此的微弱，無(wú)法察覺(jué)......

今天，2016年2月11日，北京時(shí)間23:30分，加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院、LIGO科學(xué)聯(lián)盟、以及美國國家科學(xué)基金會(huì )，向全世界宣布: 我們真的探測到引力波! 

相關(guān)論文，以Observation of Gravitaiton Waves from a Binary Black Hole Merger為題，在Physical Review Letters上發(fā)表。論文作者包括清華大學(xué)LSC引力波研究團隊。

知社學(xué)術(shù)圈特邀請論文作者之一、LIGO科學(xué)聯(lián)盟核心成員、加州理工學(xué)院陳雁北教授，和中國引力波專(zhuān)家、湖北第二師范學(xué)院范錫龍博士，撰文介紹引力波探測漫長(cháng)曲折而又激動(dòng)人心的經(jīng)歷，和一些鮮為人知的花絮， 從300年前的引力，100年前相對論，一直講到今天的引力波。

文末有知社學(xué)術(shù)圈對陳雁北、范錫龍教授獨家采訪(fǎng)。

以下是正文：

1915年，愛(ài)因斯坦發(fā)表廣義相對論論文，革新了自牛頓以來(lái)的引力觀(guān)和時(shí)空觀(guān)，創(chuàng )造性地論證了引力的本質(zhì)是時(shí)空幾何在物質(zhì)影響下的彎曲。1916年，愛(ài)因斯坦在廣義相對論的框架內，又發(fā)表論文論證了引力的作用以波動(dòng)的形式傳播。

因為引力波的效果極其微弱，100年前的愛(ài)因斯坦認為引力波在任何能想象的情況下都可以忽略。50年以前，實(shí)驗物理學(xué)家Joe Weber勇敢的開(kāi)拓了引力波探測的先河。40年前，天文學(xué)家Hulse和Taylor發(fā)現了脈沖雙星、間接證實(shí)了引力波的存在。25年前，物理學(xué)家Drever, Thorne和Weiss在美國國家科學(xué)基金的資助下開(kāi)始建造激光干涉引力波天文臺 (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，LIGO)。 今天，美國的LIGO和歐洲的VIRGO引力波探測器聯(lián)合發(fā)布消息，宣布已經(jīng)探測到距離地球約13億光年的兩個(gè)大約30太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞碰撞所發(fā)出的引力波。

在這個(gè)讓物理學(xué)家50年來(lái)望眼欲穿的、持續時(shí)間不到一秒鐘的事件(GW150914)中，4對在真空中相距4公里的40千克的玻璃鏡子的距離，以原子核尺寸千分之一大小的振幅振動(dòng)了十幾次。這樣微乎其微的振動(dòng)，被打在這些鏡子上的100千瓦的激光讀出，讓人類(lèi)第一次“近距離的接觸”了黑洞。黑洞不再是科幻作品中的神奇物體，不再躲在高溫磁化的等離子體后面，也不再穩穩的坐在星系中央。這次，我們實(shí)實(shí)在在的觀(guān)察到了黑洞附近時(shí)間和空間的高度扭曲和脈動(dòng)。引力波探測的成功，為人類(lèi)觀(guān)察宇宙提供了一個(gè)嶄新的窗口。

｜引力

引力是無(wú)處不在的 。 它主導了天，讓宇宙、星系、恒星、行星有序地形成和演化；它主導了地，讓我們生活的地球分成了各個(gè)圈層，讓蘋(píng)果落地，讓人類(lèi)羨慕鳥(niǎo)類(lèi)飛翔，讓日出日落，山川秀麗?？墒?，引力雖然無(wú)處不在，它卻低調而又卓爾不群，以至于我們經(jīng)常會(huì )忽略它： 我們生活中的五顏六色、酸甜苦辣，都是由電磁相互作用所產(chǎn)生的。而到目前為止，在微觀(guān)上，引力還是和其他基本相互作用不能融合！

引力是人類(lèi)最早定量認識的相互作用，讓人類(lèi)從無(wú)知走向科學(xué)。在17世紀，伽里略的斜塔實(shí)驗就通過(guò)運動(dòng)學(xué)證明了引力對眾生平等，也就是等效原理 -- 不同材質(zhì)的物體下落加速度一致。1687年，牛頓創(chuàng )建了萬(wàn)有引力定律，并且發(fā)明微積分的數學(xué)方法對行星的運動(dòng)進(jìn)行精確的描述。后人用牛頓的理論發(fā)現了海王星和冥王星。雖然水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)一直和牛頓預言鬧一點(diǎn)非常微小的矛盾，但是貌似引力的終極理論就此完成。 

在牛頓發(fā)現引力之后的幾百年，物理學(xué)的進(jìn)展更多的是在對電和磁的研究，1865年麥克斯韋最終建立了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的大一統理論。到了1905年，愛(ài)因斯坦提出了狹義相對論，極具洞察力地論證了電磁場(chǎng)的統一性暗含了時(shí)間和空間的統一性：物理理論必須把時(shí)間和空間放在一起考慮，而時(shí)間和空間本身，失去了絕對意義。一個(gè)新的概念，“時(shí)空”，就這么誕生了。

｜廣義相對論

盡管牛頓的萬(wàn)有引力定律有著(zhù)幾乎完美的實(shí)驗驗證，但是觀(guān)念上是把時(shí)間和空間分開(kāi)考慮的，并且牛頓引力是瞬時(shí)傳播的。因此，牛頓引力和狹義相對論理論在概念上是矛盾的。提出了狹義相對論之后，愛(ài)因斯坦進(jìn)一步研究引力和“時(shí)空幾何”的關(guān)系，重新思考伽里略所觀(guān)察到的物體下落加速度一致這個(gè)現象，意識到引力是一個(gè)非常特殊的相互作用。如果我們進(jìn)入一個(gè)自由下落的參照系，那么引力會(huì )消失！這就是為什么在地球附近的宇航員會(huì )感覺(jué)到失重：不是因為他們離地球太遠，而是因為他們在自由下落！

如果我們進(jìn)入自由下落的參照系，引力好像沒(méi)有了，是不是意味著(zhù)引力只是參照系變換的產(chǎn)物，而不是真實(shí)的物理存在呢？不是的，因為宏觀(guān)上不同位置上自由下落的參照系是不同的！如果我們考慮一個(gè)足夠大的空間站，就會(huì )發(fā)現空間站不同位置上的物體會(huì )有相對加速的現象，這就是所謂的潮汐加速度。而這個(gè)加速度，是對所有物體都適用的。愛(ài)因斯坦把這個(gè)歸結于時(shí)空幾何的彎曲。

廣義相對論中的時(shí)空幾何，就是會(huì )讓本來(lái)速度彼此平行的自由下落物體彼此接近或者遠離。像牛頓引力中的蘋(píng)果落地一樣，廣義相對論中的彎曲幾何也可以用蘋(píng)果解釋。在蘋(píng)果的表面，如果畫(huà)一些起初平行的曲線(xiàn)，并且以同樣的初速度從這些平行曲線(xiàn)出發(fā)。那么根據這些平行曲線(xiàn)的位置和走向不同，它們有的會(huì )彼此靠近（正曲率），有的會(huì )彼此遠離（負曲率）。

愛(ài)因斯坦聯(lián)系時(shí)空幾何和物質(zhì)分布的方程，可以寫(xiě)成一個(gè)非常簡(jiǎn)潔的張量形式：

這就是非常優(yōu)美的愛(ài)因斯坦方程。在解釋為什么廣義相對論可以解決引力瞬時(shí)傳播之前，咱們先看一下其艱深而又奇妙的一面。

• 愛(ài)因斯坦方程的求解

廣義相對論的方程形式美的令人陶醉，但是數學(xué)結構比蘋(píng)果表面的幾何復雜很多。 在相當一段時(shí)間里，數學(xué)家和物理學(xué)家只能遠觀(guān)而不能與之親密接觸，只得到了愛(ài)因斯坦方程在少數情況下的解，而并不理解這些方程的意義。直到20世紀70年代初，數學(xué)物理學(xué)家才證明了愛(ài)因斯坦方程在原則上可以系統的用初始條件加時(shí)間演化的方法求解。在1979年，丘成桐先生和他的學(xué)生Richard Schoen用幾何分析的方法證明了《正質(zhì)量定理》，給廣義相對論中質(zhì)量的概念奠定了數學(xué)的基礎。真正女神的魅力是持久的，愛(ài)因斯坦方程解的全局性質(zhì)、以及物理學(xué)家所用的數值解法的收斂性問(wèn)題，至今也還是數學(xué)研究的前沿問(wèn)題。

• 黑洞

自從愛(ài)因斯坦建立他的引力方程以來(lái)，科學(xué)家陸續發(fā)現了一些解析解，球對稱(chēng)下的Schwarzschild解和軸對稱(chēng)下的Kerr解。這些解所對應的時(shí)空中沒(méi)有任何質(zhì)量，貌似是純時(shí)空幾何的彎曲。

后來(lái)，在Oppenheimer和Wheeler 等人的研究下，人們逐漸意識到，這是大質(zhì)量星體燒盡核燃料以后，通過(guò)“塌縮”所達到的一個(gè)狀態(tài)。Wheeler把這些時(shí)空結構命名為“黑洞”。

在數學(xué)上，黑洞的時(shí)空有很多奇妙的結構。比如，黑洞有一個(gè)叫做“視界”的結構。在“時(shí)空圖”上，視界把時(shí)空分成兩部分，一部分是可以和遠處聯(lián)系的，而另一部分，是無(wú)法和遠處聯(lián)系的。當星體塌縮成黑洞時(shí)，坐在星體表面的觀(guān)測者會(huì )穿過(guò)黑洞的視界，而站在外面的觀(guān)測者，則不會(huì )看到星體表面的觀(guān)測者穿過(guò)視界，只是看到他的運動(dòng)越來(lái)越慢，像是被“凍結”在視界表面。

再比如，在視界外面不遠，有一個(gè)“光球”。光在引力的作用下，可以在光球上繞著(zhù)黑洞運轉，既不逃逸到無(wú)窮遠，也不落入黑洞。

在70年代，科學(xué)家又從數學(xué)上推斷出黑洞的一些其他性質(zhì)。一方面，數學(xué)家證明了一系列的“黑洞唯一性”定理，顯示具有“視界”并且沒(méi)有物質(zhì)的時(shí)空只能是有限的幾個(gè)黑洞的時(shí)空結構。另一方面，《黑洞微繞論》的創(chuàng )立讓物理學(xué)家從直觀(guān)上論證了在星體塌縮成黑洞的過(guò)程中，黑洞的幾何結構產(chǎn)生的過(guò)程。當霍金等物理學(xué)家把量子力學(xué)用在黑洞上時(shí)，驚奇地發(fā)現，黑洞也會(huì )通過(guò)所謂的”霍金輻射”蒸發(fā)。

｜天文學(xué)中的黑洞

黑洞在數學(xué)上奇妙的性質(zhì)，引起了人們的無(wú)限遐想，也成為科幻作品的重要題材?？墒?，它是不是真實(shí)的物理存在呢？科學(xué)上要證明一個(gè)物體的存在，至少要觀(guān)測到它對別的物體的效應。

閉門(mén)造黑洞是不行的，要抬頭看天！

天文觀(guān)測中，科學(xué)家發(fā)現了一些疑似黑洞的物體。由于對愛(ài)因斯坦理論的信任和青睞，天文學(xué)家們一致認為這些物體就是黑洞。

第一類(lèi)物體的質(zhì)量是太陽(yáng)的幾倍到幾十倍，它們存在于X-射線(xiàn)雙星里，并且尺寸小于幾十公里。按照廣義相對論的計算，這樣的物體必須是黑洞。這些物體發(fā)出的X-射線(xiàn)是由黑洞的伴星放出的氣體在往黑洞下落的時(shí)候相互擠壓、摩擦、加熱發(fā)出的。

第二類(lèi)物體是存在于星系中心的超大質(zhì)量黑洞，具有可以超過(guò)幾十、幾百萬(wàn)倍的太陽(yáng)質(zhì)量，并且也有很小的尺寸，讓大家推測這些也必然是黑洞。比如，在銀河系的中心，就有一個(gè)四百萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。在另外一些星系中，有氣體不斷掉入黑洞，在黑洞附近形成一個(gè)繞著(zhù)黑洞旋轉的“吸積盤(pán)”，并且在黑洞的旋轉軸附近發(fā)出“噴流”。這樣的一個(gè)系統叫做活動(dòng)星系核，它會(huì )發(fā)射的強烈電磁輻射，是天文觀(guān)測的一個(gè)重要目標。

 還有一類(lèi)物體是中等質(zhì)量的黑洞。它們可能產(chǎn)生于小質(zhì)量黑洞并合，或者小黑洞吃掉很多恒星，或者是通過(guò)宇宙早期的大質(zhì)量恒星塌縮而形成。在某些低光度的活動(dòng)星系核，超亮X-射線(xiàn)源和球狀星團中有一些它們的蹤跡。

這些天文學(xué)中的觀(guān)測現象從一個(gè)側面證明了黑洞的存在，但是目前還沒(méi)法很精確的測定黑洞附近的幾何結構。這些黑洞也都是隨時(shí)間不變的穩定黑洞，它們周?chē)臅r(shí)空結構，在我們觀(guān)測的這段時(shí)間內是不變的。

｜引力波

愛(ài)因斯坦在1916年就預言了引力波的存在: 他發(fā)現自己的方程有一組解，和電磁波的性質(zhì)類(lèi)似，以光速傳播。但是他在文章里又說(shuō)（下圖中最后一句），因為這個(gè)引力波輻射的能量很少，在所有能想得到的情況下，引力波的輻射都可以被忽略。

（Albert Einstein, Näherungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation, Sitzungsberichte der Königlich Preußischen Akademie der Wissenschaften (Berlin), 1916.）

在很長(cháng)一段時(shí)間內，物理學(xué)家搞不清這個(gè)解的物理意義，更沒(méi)想到這個(gè)波可以有什么觀(guān)測上的價(jià)值。在1960年左右，引力波的物理意義開(kāi)始明朗，物理學(xué)家認為，引力波可以被看成是引力相互作用的傳播，并且可以被看成是攜帶著(zhù)引力能。這就說(shuō)明，引力相互作用是以光速傳播的。

想了解引力波所對應的時(shí)空幾何，需要把剛才光滑的蘋(píng)果變成粗糙的橘子：橘子表面有兩種彎曲的幾何結構。大尺度的時(shí)空幾何（橘子的半徑）代表了宇宙空間中的引力，而小尺度的幾何（粗糙的點(diǎn)點(diǎn)）代表了引力波。

在一個(gè)自由下落的物體參照系中，引力波可以看成是一個(gè)“潮汐引力場(chǎng)”。也就是說(shuō)，距離這個(gè)物體越遠的物體，它感受到的引力場(chǎng)越大。在自由物體之間，潮汐引力場(chǎng)會(huì )引起他們相對位移按比例的變化（也就是“應變”）。引力波的振幅h，通常就用這個(gè)應變來(lái)代表。 

如果不是自由下落的分開(kāi)的物體，而是一個(gè)整個(gè)的彈性體，那么引力場(chǎng)的效果還要看這個(gè)彈性體本身對外力的響應。

｜引力波探測的歷史

愛(ài)因斯坦說(shuō)了，引力波很微弱，那么到底有多么微弱呢？我們下面舉一個(gè)例子說(shuō)明。就算是人類(lèi)歷史上最大的氫彈爆炸，我們可以粗略的估算一下離爆炸處一米之內的引力波振幅h，也就是它引起的自由下落物體之間的應變。這個(gè)應變，只有10^-27左右的量級。

雖然引力波這么微弱，但還是沒(méi)有嚇倒勇敢的實(shí)驗物理學(xué)家Joe Weber。他深信，雖然地球上產(chǎn)生的引力波很微弱，宇宙空間中也許有天文現象可以導致足夠強的引力波。20世紀60年代末期，Weber開(kāi)始用共振法測量引力波。具體就是用一個(gè)很大的金屬物體，利用引力波在物體的諧振頻率上引起共振的特點(diǎn)，希望從這個(gè)物體的振動(dòng)中提取引力波的信號。Weber發(fā)表了一些實(shí)驗結果，認為已經(jīng)發(fā)現了引力波。但是很可惜，他的實(shí)驗沒(méi)有人可以重復，而理論上也很難論證究竟是什么樣的過(guò)程發(fā)出了這么強烈的引力波信號。但是，Weber的工作激勵了一批科學(xué)家投身引力波事業(yè)。從20世紀70年代起，一批理論和實(shí)驗物理學(xué)家加入了引力波理論研究和實(shí)驗探測的行列。

MIT的實(shí)驗物理學(xué)家Weiss注意到，引力波對物體之間距離的變化，和物體之間本來(lái)的距離成正比。這樣的話(huà)，如果把物體之間的距離拉的很遠，并且把它們做成鏡子，然后用激光測距的方法測量鏡子之間的距離，就可以成倍的提高對引力波測量的精度。

在這個(gè)同時(shí)，英國Glasgow大學(xué)的Drever和休斯飛機公司的Forward也開(kāi)始了激光干涉的引力波測量實(shí)驗。

1975年，就在引力波實(shí)驗逐漸發(fā)展的時(shí)候， 天文學(xué)家Hulse和Taylor發(fā)現了一對脈沖雙星。1982年，Taylor和 Weisberg通過(guò)其軌道頻率的演化，推斷出了這個(gè)雙星正在丟失能量，而這個(gè)能量丟失率和引力波導致的是一致。這給引力波的存在提供了一個(gè)強有力的間接證據：引力波終于從紙上走了出來(lái)！Hulse和Taylor在1993年因此獲得諾貝爾獎，脈沖雙星也成為研究廣義相對論和中子星的一個(gè)重要系統。

• Kip Thorne

要提LIGO的歷史，得提一下《星際穿越》中的“非著(zhù)名電影演員” Kip Thorne。他是命名黑洞的物理學(xué)家John Wheeler的學(xué)生，算起來(lái)也是Richard Feynman的師弟 。Thorne早年在Princeton做研究生的時(shí)候，和Wheeler一起研究了引力塌縮的過(guò)程，在黑洞作為星體演化末態(tài)的學(xué)說(shuō)上做出了重要的貢獻。從此， Thorne跟黑洞結下了不解之緣。不要驚訝，“引力圣經(jīng)MTW”中的T和W就是Kip Thorne和John Wheeler。自從Weber“發(fā)現”引力波以后， Thorne就致力于黑洞和引力波這個(gè)新型輻射的研究。

2009年， Thorne從Caltech退休。他通過(guò)舊情人Lynda Obst認識了斯皮爾伯格和諾蘭，并且參與了以黑洞為主題的電影《星際穿越》的編劇和攝制，從此進(jìn)軍好萊塢。每次有人托他辦事，他如果想推脫，就會(huì )說(shuō)現在開(kāi)始了新的電影生涯，忙不過(guò)來(lái)。不過(guò)，這次華盛頓DC的記者會(huì )，他也還是重新出山了，風(fēng)采絕對不亞于其在好萊塢的光芒！

在20世紀70年代末， Thorne說(shuō)服了Caltech支持引力波研究，Drever在Caltech建立了引力波探測實(shí)驗室。1979年美國國家科學(xué)基金會(huì )開(kāi)始資助Drever和Thorne在Caltech，以及Weiss在MIT的激光干涉引力波測量預研究。

• LIGO的引力波源和理論研究

最初，學(xué)術(shù)界普遍對探測引力波的可能性持懷疑態(tài)度。在早期，人們對引力波源的認識非常不足，一度認為超新星爆發(fā)是引力波探測的主要波源。后來(lái)，大家通過(guò)對超新星爆發(fā)的詳細計算，推斷出其所發(fā)出的引力波遠沒(méi)有以前想象的那么大。

90年代初，Thorne和他的合作者認識到，雙黑洞和雙中子星的碰撞所發(fā)出的引力波可以有足夠的振幅被探測到。他開(kāi)始系統的推進(jìn)和開(kāi)展引力波源的天體物理、相對論動(dòng)力學(xué)研究和數據分析方法的研究。雖然多數人認為雙中子星是最靠譜的波源，Thorne一直認為雙黑洞因為質(zhì)量比較大， LIGO可以看到比較遠的距離，所以相應的體積中就會(huì )有更多的可能性。因此，雖然雙黑洞的形成過(guò)程不太明確，但是還是有可能是最先被探測到的。想要研究雙黑洞的引力波，必須先計算出廣義相對論對雙黑洞碰撞的預言。物理學(xué)家通過(guò)“數值相對論”的方法，用大型計算機對愛(ài)因斯坦方程進(jìn)行求解。

｜LIGO計劃的實(shí)施

在90年代初，由Drever, Thorne和Weiss領(lǐng)導的LIGO項目得到了美國National Science Foundation的資助，在美國的華盛頓州和路易斯安那州分別建造一個(gè)臂長(cháng)四公里的干涉儀。在最早的LIGO計劃書(shū)中，雙黑洞和雙中子星的碰撞過(guò)程是主要的目標。他們就提到了一個(gè)三步計劃：第一步的initial LIGO在設計靈敏度下可以看到5億光年以外的雙黑洞碰撞，第二步的 Advacned LIGO在設計靈敏度下可以看到70億光年以外的雙黑洞碰撞。 這多出的14倍的距離，相當于多覆蓋了宇宙中將近三千倍的體積。今天的Advanced LIGO，尚未達到設計靈敏度，就已經(jīng)看到了14億光年以外的雙黑洞碰撞。

那么，到底多少億光年的覆蓋距離才夠呢？天文觀(guān)測具有一定的隨機性，但是隨機過(guò)程也是可以從統計上進(jìn)行把握的。為了不重蹈Joe Weber的覆轍，LIGO科學(xué)家們事先要推算出一定體積內黑洞、中子星碰撞的發(fā)生率。推測發(fā)生率，要根據天文學(xué)家對宇宙中星系的分布、星系中雙星的形成、演化等一系列信息進(jìn)行綜合考慮。在沒(méi)有引力波探測作為依據的情況下，對這些發(fā)生率推斷是有很大誤差的。根據當時(shí)最好的估計，initial LIGO應該只有很少的希望可以看到雙黑洞的碰撞，而幾乎沒(méi)有希望看到雙中子星的碰撞。Advanced LIGO很可能可以很容易的看到雙黑洞的碰撞，而應該可以保證至少探測到幾個(gè)雙中子星的碰撞。從這個(gè)角度來(lái)看，今天的成功，雖然是幸運，也并不是意料之外的事情。并且，既然我們已經(jīng)在這個(gè)靈敏度下探測到了一個(gè)事件，這就意味著(zhù)如果我們按照這個(gè)靈敏度繼續探測，勢必會(huì )有更多的事件被探測到。

• LIGO的靈敏度和運行

LIGO探測器在1999年最初建成，然后花了5年時(shí)間，在2005年到達了設計靈敏度，可以測量在60Hz以上，10kHz以下的引力波，位移變靈敏度達到10^-21。這是什么概念呢？這樣的應變，如果是用到從地球到太陽(yáng)之間的距離，導致的距離變化不超過(guò)頭發(fā)絲的十萬(wàn)分之一。換算到千米量級的臂長(cháng)，它對檢驗質(zhì)量位移的靈敏度可以達到10-18米，是原子核大小的1/1000！

 LIGO為什么可以達到比原子核大小還要小的靈敏度呢？

從光學(xué)定位的角度考慮，這是因為L(cháng)IGO用了很強的激光，并且使用了光學(xué)諧振放大的方法。每一個(gè)光子，可以對位置進(jìn)行一個(gè)光波長(cháng)左右的測量。而光子在諧振腔中反復傳播100次，就可以測量光波長(cháng)百分之一的距離變化，也就是10^-8米。如果用多個(gè)光子，靈敏度會(huì )按光子個(gè)數的平方根增加。于是，10^20個(gè)光子，就可以達到10^-18米的靈敏度了。

而從原子尺度考慮，則是因為L(cháng)IGO的光束打在了很多個(gè)原子上，這個(gè)平均的效應讓我們可以測量到比單個(gè)原子尺寸更小的位移。在2003到2009年這段時(shí)間，LIGO-1采集了一些數據，并且作出了分析。但是在這個(gè)數據里面并沒(méi)有發(fā)現引力波。從2009到2015年，LIGO進(jìn)行了歷時(shí)6年的升級，從LIGO-1升級到LIGO-2，也就是Advanced LIGO。

• 世界各國的大型引力波探測器

在美國的LIGO計劃開(kāi)始之后，歐洲也開(kāi)始進(jìn)行引力波探測計劃。目前，比較大型的探測器是由英國和德國合作，在德國Hannover附近建造的GEO 600探測器，以及由法國和意大利合作，在意大利Pisa附近的VIRGO探測器。GEO 600探測器的壁長(cháng)是600米，而VIRGO的臂長(cháng)是3000米。相比之下,VIRGO的造價(jià)和性能都遠高于GEO 600，而和LIGO相當。

大家也許會(huì )問(wèn)，為什么經(jīng)濟實(shí)力更強的英、德兩國在引力波探測器的規模上竟然會(huì )比不過(guò)法意兩國呢？據說(shuō)，本來(lái)前西德也要建造一個(gè)4公里臂長(cháng)的探測器。但是由于東西德合并，西德支持東德，這個(gè)經(jīng)費就被砍掉了，只好建造一個(gè)600米的探測器。

最近，日本也開(kāi)始建造大型的KaGRA引力波探測器。早年，在日本有一個(gè)TAMA300探測器，位于東京附近的三鷹市，在日本的國家天文臺院內，臂長(cháng)300米。日本科學(xué)家多年來(lái)一直致力于推動(dòng)大型引力波探測，這個(gè)KaGRA項目終于在2008年立項。目前，這個(gè)探測器的建設已經(jīng)基本完成，進(jìn)入了調試階段。

前些年，印度也開(kāi)始加入了引力波探測的行列。LIGO實(shí)驗室和印度引力波物理學(xué)界已經(jīng)達成協(xié)議，計劃把LIGO的一部分實(shí)驗設備運往印度，并在印度開(kāi)設一個(gè)LIGO-India的引力波觀(guān)測站。

｜GW150914

正可謂“謀事在人，成事在天”?；仡櫼幌?50914，它的發(fā)現是和人類(lèi)歷史上許多偉大發(fā)現一樣，是一個(gè)偶然。

• 發(fā)現

在LIGO的正式運行中，都會(huì )做一個(gè)Blind Injection的操作：就是讓幾個(gè)合作者在數據里面偷偷的加上一些模擬的引力波信號，并且把這些信號的參數保密。這樣，其他處理數據的人就算是有所發(fā)現，也沒(méi)法知道真假。直到最后一刻，主持人打開(kāi)信封，宣布偷偷加上的信號的參數，大家才恍然大悟。Blind Injection不但會(huì )提高士氣，也會(huì )杜絕泄密。這個(gè)方法在LIGO-1的運行中頗有成效。

在2015年9月份，LIGO開(kāi)始了一次工程試運行（Engineering Run）。因為只是調試運行，盲注的機制都沒(méi)有組織好，所以根本就沒(méi)有盲注。沒(méi)想到，有些事情不能隨便試的，沒(méi)開(kāi)始幾天就發(fā)現了一個(gè)置信度超高的引力波信號。這個(gè)信號大到什么程度呢？就是只做一些簡(jiǎn)單的濾波后就可以用肉眼在數據的波形中發(fā)現了。自己看數據吧：

• 碰撞的過(guò)程

除去再次驗證了愛(ài)因斯坦的神奇之處, 從這個(gè)探測到的引力波事件，我們可以學(xué)到什么呢？

從波的頻率演化看，在低頻的部分開(kāi)始。

第一階段。兩個(gè)黑洞的引力波頻率從30Hz開(kāi)始。這在引力波天文學(xué)中是比較低的頻段，但是這就意味著(zhù)黑洞是15Hz軌道頻率。再具體點(diǎn)就是，這兩個(gè)黑洞分別為36和30太陽(yáng)質(zhì)量，每個(gè)半徑大約是一百公里左右，距離是一千公里，每秒鐘互相轉15圈。

第二階段。到兩個(gè)黑洞快并合的時(shí)候，引力波頻率達到100Hz，軌道頻率50Hz，就是每秒鐘轉50圈。這個(gè)時(shí)候兩個(gè)黑洞已經(jīng)快形成一體了，它們每個(gè)人“中心”之間的距離大概是兩百公里左右。

第三階段。然后，這個(gè)合并成一體的扭曲的黑洞繼續震蕩，逐漸變成一個(gè)新的、旋轉的黑洞（科爾黑洞）。這個(gè)黑洞的質(zhì)量是63個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，它的半徑大約是160公里。在這個(gè)震蕩的過(guò)程中，這個(gè)黑洞主要示發(fā)射頻率在240Hz左右的引力波，說(shuō)明它在以120Hz左右旋轉，也就是每秒鐘120圈。這個(gè)過(guò)程也可以看做是引力波在黑洞的“光球”周?chē)@轉，并且逐漸逃逸到遠處。

為什么最終的質(zhì)量小于兩個(gè)并合黑洞之和呢？我們不是說(shuō)過(guò)引力波攜帶能量嗎？有一部分的質(zhì)量以引力波的形式被釋放了。這些引力波攜帶的能量等于3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，相當于百分之五的“質(zhì)量”轉化成了“能量。順便說(shuō)一句，號稱(chēng)宇宙中最亮的天體伽馬射線(xiàn)暴一般釋放幾千分之一太陽(yáng)質(zhì)量所相當的能量。這次引力波功率峰值達到整個(gè)可見(jiàn)宇宙發(fā)光功率的50倍。

黑洞離地球的距離，是從引力波的絕對振幅所推斷的。根據這個(gè)推斷，我們得知碰撞過(guò)程發(fā)生在14億光年以外。對應到標準宇宙學(xué)中的“紅移”，這個(gè)事件所在的紅移是0.09。在這個(gè)事件發(fā)生的時(shí)候，咱們的宇宙的“尺寸”是現在的91%。

• 意義

上面的三個(gè)過(guò)程，讓我們第一次“親眼看到”了黑洞的存在。由于引力波可以看成是直接推動(dòng)了鏡子的機械振動(dòng)，我們也可以說(shuō)是親耳聽(tīng)到了黑洞的存在！

為什么我們知道是兩個(gè)黑洞變成一個(gè)黑洞呢？下面我們給一個(gè)粗略的解釋。單個(gè)物體的質(zhì)量，可以從是通過(guò)波形的振幅和頻率隨時(shí)間演化所測定的。而上面第一、二個(gè)階段的轉換，可以讓我們推測出每個(gè)物體的尺寸，從而斷定它們都是黑洞。第三個(gè)階段，波形的頻率和衰減率可以讓我們推斷出最后形成黑洞的“光球”的存在和光球附近的幾何結構。

LIGO科學(xué)家還從這個(gè)引力波的波形， 對相對論的預言做了一定的檢驗，并且在統計誤差范圍之內沒(méi)有發(fā)現和相對論的區別。粗略的說(shuō)，就是在波形的不同時(shí)間、不同頻段，和相對論預言的吻合程度相對一致，沒(méi)有發(fā)現系統的差別。

其中一個(gè)比較有特色的檢驗就是關(guān)于引力波的傳播速度的檢驗。沒(méi)有其他方法比較，怎么能說(shuō)明引力波是以光速傳播呢？簡(jiǎn)單的答案就是，對于這個(gè)事件，由于沒(méi)有其他方法比較，只能間接的對引力波的傳播做一個(gè)檢驗。由于在不同頻段波形和廣義相對論的預言吻合，我們可以推斷，引力波在不同頻率上的傳播速度一致。不同頻率上傳播速度一致的波，根據“狹義相對論協(xié)變性”的要求，一般來(lái)說(shuō)應該是以光速傳播的。于是，從這個(gè)意義上講，這次也算是部分、間接的驗證了引力波以光速傳播這個(gè)性質(zhì)。

｜引力波天文學(xué)

直接探測到雙黑洞的碰撞，只是引力波天文學(xué)的開(kāi)端。就算你猜中開(kāi)頭，也絕猜不到結尾！因為沒(méi)有結尾！

對于雙黑洞引力波的研究，GW150914只是一個(gè)開(kāi)端。更多的雙黑洞事件，會(huì )讓我們更詳細的了解黑洞附近的時(shí)空幾何，以及黑洞碰撞時(shí)候時(shí)空的幾何動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。下一步使用LIGO，我們還期待著(zhù)雙中子星、黑洞中子星碰撞的發(fā)現。這些，還會(huì )讓我們了解中子星的內部結構。更進(jìn)一步的，LIGO還希望可以探測到從單個(gè)中子星發(fā)出的連續引力波輻射，甚至是背景引力波輻射。LIGO打開(kāi)了一扇探索宇宙的新窗口，更令人興奮的是一些未知源的引力波爆也可能被探測到。

大部分引力波源發(fā)射引力波的時(shí)候也發(fā)射傳統天文學(xué)的“信使”：電磁波，中微子和宇宙線(xiàn)。 結合傳統天文學(xué)的信使，引力波－多信使對應體－宿主星系這一體系的進(jìn)一步聯(lián)合觀(guān)測將不但有利于提高引力波的定位和參數估計精度，還能提供對于引力波多信使對應體本質(zhì)的更多理解。

在A(yíng)dvanced LIGO之后，我們希望能提高地面引力波探測器的精度，從而探測到更多的雙黑洞，雙中子星，中子星－黑洞雙星等事件；這將提供關(guān)于詳細的黑洞形成和演化的更確切數據，更可以使我們直接推斷中子星狀態(tài)方程，暗能量狀態(tài)方程等等物理學(xué)、天文學(xué)、宇宙學(xué)更為有趣的問(wèn)題。增加更多的事件、并且探測到更高信噪比的信號，也有利于精確的研究黑洞的性質(zhì)，與廣義相對論做更詳細的比對。

更進(jìn)一步，我們要在空間建立引力波探測器。在空間，物體之間的距離更長(cháng)，而且沒(méi)有地面上振動(dòng)的擾動(dòng)，讓我們可以觀(guān)察低頻率的引力波，可以探索超大質(zhì)量黑洞繞轉和小黑洞圍繞大黑洞旋轉等有趣的現象，從而了解星系形成的過(guò)程和進(jìn)一步了解黑洞周?chē)臅r(shí)空結構。

以下是知社學(xué)術(shù)圈對陳、范兩位老師獨家采訪(fǎng)

陳雁北，加州理工學(xué)院物理學(xué)教授，美國物理學(xué)會(huì )會(huì )士。2003年在Kip Thorne指導下從加州理工學(xué)院獲得博士學(xué)位。2007年回加州理工任助理教授，2013年升任正教授。

范錫龍，湖北第二師范學(xué)院物理學(xué)副教授，中國引力與相對論天體物理學(xué)會(huì )會(huì )員。2006年-2007年訪(fǎng)問(wèn)德國馬普所引力物理研究所1年，跟隨陳雁北、溫琳清等人學(xué)習。2008年在朱宗宏教授指導下獲得北京師范大學(xué)碩士學(xué)位。2012年獲得意大利里雅思特大學(xué)博士。曾獲得英國皇家學(xué)會(huì )“ Newton International Fellowships ”和中國國家自然科學(xué)基金資助。

陳雁北（右）和范錫龍（左）在加州理工辦公室

知社： 能不能介紹一下您在LIGO科學(xué)聯(lián)盟中的工作，以及對引力波探測的貢獻？

陳雁北：我在1999年進(jìn)入Caltech的時(shí)候，本來(lái)沒(méi)有太多的目的性。但是聽(tīng)了Kip Thorne講課，覺(jué)得他這個(gè)教授比較有意思：不但興趣廣泛，而且往往能把很復雜的問(wèn)題用很簡(jiǎn)單的方法搞定。我那時(shí)候覺(jué)得我自己數理基礎不是特別好，不敢搞特別抽象的高能物理理論，手又笨搞不了實(shí)驗，于是就決定追隨Kip Thorne。

從1980年開(kāi)始，Kip Thorne和他的學(xué)生Carlton Caves，以及合作者，莫斯科大學(xué)的Vladimir Braginsky和Farid Khalili在對LIGO靈敏度的研究中，涉及到了對單個(gè)量子物體連續測量的理論，我剛入學(xué)的時(shí)候對這個(gè)問(wèn)題特別感興趣。

我一開(kāi)始是和一個(gè)博士后，Alessandra Buonanno，一起做一些量子光學(xué)的計算?，F在A(yíng)lessandra是德國馬普引力物理研究所的Director之一，在這次引力波事件的分析中起到了決定性的領(lǐng)導作用。后來(lái)這些就可以用來(lái)計算Advanced LIGO這個(gè)光學(xué)結構下光的量子漲落所導致的噪聲。其實(shí)我們的公式到現在還沒(méi)有用上，因為Advanced LIGO還沒(méi)有用到足夠的激光光強。我后來(lái)就一直繼續對量子噪聲的計算，和下一代LIGO的光學(xué)設計的研究。我在博士期間第二個(gè)工作，也是和Alessandra以及另外兩個(gè)研究生Michele Vallisneri、潘奕一起，研究在第一代LIGO中怎么最優(yōu)的提取出雙黑洞的信號。在那個(gè)時(shí)候，數值相對論的模擬還不成熟，所以我們都是考慮怎么把微擾論的結果用在LIGO的數據分析上。

博士畢業(yè)以后，我到德國的馬普引力物理研究所，并且繼續參與LIGO的研究。我在Caltech做博士的最后幾年，以及在德國的時(shí)候，initial LIGO在提取數據，但是沒(méi)有探測到引力波。但是由于那時(shí)候大家覺(jué)得LIGO也有可能發(fā)現引力波，德國的洪堡基金會(huì )發(fā)給了我一個(gè)Sofja Kovalevskaya Award，讓我領(lǐng)導了一個(gè)科研小組。那幾年我主要是研究宏觀(guān)物體的量子測量問(wèn)題，以及怎么樣用LIGO同時(shí)作為檢驗量子力學(xué)的工具。我也同時(shí)和日本國家天文臺的川村教授合作了一些空間引力波探測器的設計，還和馬普所的博士后溫琳清（現在在西澳大利亞大學(xué)）合作了多探測器引力波數據分析策略的研究。我也同時(shí)做了一些空間引力波探測器的設計、以及引力波數據分析策略的研究。我和那時(shí)候馬普的研究生P. Ajith、博士后Martin Hewitson一起發(fā)明的Phenominological Template Bank，現在是LIGO雙黑洞數據處理中的一個(gè)重要方法。

回到Caltech以后，我繼續做量子測量、LIGO光學(xué)設計的研究，也和Caltech的Rana Adhikari教授合作，做了一些LIGO中光學(xué)器件熱噪聲的研究。在廣義相對論方面，我開(kāi)始研究黑洞微擾論，并且開(kāi)始研究黑洞合并時(shí)候幾何動(dòng)力學(xué)的一些特點(diǎn)。在數據分析方面，我和西澳大學(xué)的溫琳清教授合作，發(fā)展了一個(gè)快速提取中子星并合波形的數據處理方案。這個(gè)方案正由溫教授實(shí)施在LIGO中。

知社：對探測如此微弱的引力波，剛開(kāi)始的時(shí)候有沒(méi)有信心，中間有沒(méi)有產(chǎn)生懷疑，看到這個(gè)數據的時(shí)候，是什么樣的一種心情？

陳雁北：對于我個(gè)人來(lái)說(shuō)，LIGO給了我一個(gè)很好的機會(huì )，讓我可以研究各種各樣的物理問(wèn)題。就算LIGO沒(méi)有探測到引力波，其中也有很多有意思的問(wèn)題可以研究。比如量子光學(xué)，比如廣義相對論和黑洞物理，比如數據分析的方法，還有非平衡態(tài)熱力學(xué)的一些知識。在我科研生涯的前十幾年，我覺(jué)得我嘗試了、學(xué)會(huì )了很多東西。對于我來(lái)說(shuō)，雙黑洞探測的成功也許是一個(gè)轉折點(diǎn)，我以后可能要更集中精力研究和黑洞有關(guān)的問(wèn)題。

范錫龍：第一次注意到這個(gè)事件的時(shí)候是在北京師范大學(xué)，那時(shí)候我和其他同事正籌劃召開(kāi)一個(gè)引力波天文學(xué)研討會(huì )，再加上之前有過(guò)盲注，就沒(méi)在意。2015年9月16日左右，我和來(lái)自英國格拉斯哥大學(xué)LVC成員早餐時(shí)間在師大餐廳討論這個(gè)信號，我的觀(guān)點(diǎn)是如果是真的就太幸運了，我不相信。有趣的是，因為保密原則，我們不能提及任何引力波的事情。旁邊的人如果認真偷聽(tīng)，會(huì )聽(tīng)到英文版的：“那個(gè)事（the event）是真的嗎？”“可能嗎？不會(huì )吧！”“那個(gè)事很太明顯！”之類(lèi)的談話(huà)。我們談話(huà)期間，天文系朱宗宏老師走了過(guò)來(lái)，他是非lvc成員的引力波專(zhuān)家。那情形就是我們突然停住了談話(huà)，大家相互張望，異常有趣。

我對于信號的懷疑程度的變化直到開(kāi)了一次lvc電話(huà)會(huì )議，盲注團隊說(shuō)沒(méi)有任何已知信號注入行為，然后儀器團隊說(shuō)數據很干凈。我當時(shí)有一絲絲相信我們可能真的做到了。2016年1月22日凌晨1點(diǎn)36分，經(jīng)過(guò)了渾身顫抖的短暫等待，我淚流滿(mǎn)面，因為lvc電話(huà)會(huì )議宣布：lvc集體投票決定第10版“探測文章”可以投稿。我知道，我們做到了。

直到現在，一想到這個(gè)發(fā)現，我還是心跳加速。

知社：這樣的天文事件，幾率有多大？ 調試運行，就測到如此強大信號，是不是很幸運？ 以后會(huì )經(jīng)常性的探測到么？

陳雁北：天文觀(guān)測不能完全碰運氣。對于LIGO，我們是根據天文學(xué)中一些知識，推斷出在一定靈敏度下，單位時(shí)間能夠探測到事件的概率。雖然這個(gè)概率本身也有很大的不確定性，但是LIGO在設計的時(shí)候，也考慮到了這個(gè)問(wèn)題。所以，從一定程度上說(shuō)，Advanced LIGO能探測到這個(gè)事件也不是很意外的事情。而initial LIGO什么都看不到，也是意料之中的。既然我們已經(jīng)在這個(gè)靈敏度下探測到了一個(gè)事件，這就意味著(zhù) 勢必會(huì )有更多的事件被探測到。

知社：LIGO探測到引力波，對中國的天琴計劃，有什么樣的影響？

陳雁北：中山大學(xué)的羅俊院士，是中國引力物理界的領(lǐng)軍人物。他對引力常數的測量，引力定律的檢驗的研究，都處于世界的前沿。羅院士的團隊最近提出的《天琴計劃》，是在空間中測量引力波?？臻g中，我們可以測量頻率更低的引力波。一方面，可以從側面驗證LIGO引力波源、引力波傳播的性質(zhì)，另外一方面，也可能探測到大質(zhì)量甚至超大質(zhì)量的黑洞。我希望這次LIGO對引力波的探測，對天琴計劃是一個(gè)推動(dòng)。

知社：引力波速度與光速一致，這里面有什么內在聯(lián)系么，還是純屬巧合？ 有沒(méi)有可能給大一統理論指引一個(gè)方向？

陳雁北：這是一個(gè)很深刻的問(wèn)題。在廣義相對論里面，當引力波和光波的波長(cháng)遠小于時(shí)空曲率半徑的時(shí)候，它們的傳播都可以看成是沿著(zhù)所謂的“類(lèi)光測地線(xiàn)“傳播。所謂類(lèi)光地線(xiàn)，可以說(shuō)是在時(shí)空幾何中，想逃離一個(gè)點(diǎn)，最最快的一個(gè)路徑。當波長(cháng)可以和時(shí)空曲率半徑相比的時(shí)候，引力波和光波的傳播時(shí)不同的。這次探測到的引力波，波長(cháng)遠遠小于宇宙空間中的時(shí)空曲率半徑，所以傳播速度應該是和光一樣。引力波的存在，以及引力波以光速傳播本身，在理論物理中已經(jīng)是非常公認的一個(gè)現象。所以探測到引力波本身，應該不能對大統一理論作出貢獻。

知社：最后替科幻迷問(wèn)一個(gè)問(wèn)題，能不能借助引力波，實(shí)現星際航行和時(shí)空穿越？

陳雁北：前些年，在德國的時(shí)候，我有一個(gè)來(lái)自日本的博士后，叫做宗宮健太郎。宗宮教授是實(shí)驗物理學(xué)家，現在是東京工業(yè)大學(xué)的副教授，是日本引力波探測器KaGRA的重要參加者。宗宮教授和我一樣，都是《機器貓》迷。當年在德國的時(shí)候，我們經(jīng)常開(kāi)車(chē)從波茨坦去漢諾威，路上就會(huì )聊天。記得他跟我說(shuō)過(guò)，他當年參與引力波的原因就是因為他覺(jué)得發(fā)現了引力波，發(fā)現黑洞，就是造出機器貓里面的“時(shí)間機器”的第一步。

也許宗宮教授當年比較幼稚，但是，我們不要忘記Joe Weber的“幼稚”導致了50年后今天對雙黑洞的發(fā)現。如果通過(guò)引力波觀(guān)測，我們探測到任何跟現在的廣義相對論推斷所不符的線(xiàn)索，那么就有可能導致基礎理論的突破。

［作者介紹］知社學(xué)術(shù)圈，海歸學(xué)者發(fā)起的公益學(xué)術(shù)交流平臺，旨在分享學(xué)術(shù)信息，整合學(xué)術(shù)資源，加強學(xué)術(shù)交流，促進(jìn)學(xué)術(shù)進(jìn)步。注：本文為知社獨家專(zhuān)訪(fǎng)，如需轉載，請聯(lián)系知社。

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