按:作者@Jing Ming,少数引力波研究“圈子”里的华人科学家之一。

现在是德国时间2016年2月11日晚上8点(北京时间2016年2月12日凌晨4点)。我刚刚结束我们所(AEI)的记者招待会回到家。正如我在评论区所说,当LIGO的主任David在华盛顿会场上来就宣布:“Yes! We did it!”的时候,AEI会场不少同事留下了眼泪,其中包括我们所长:

答主堂堂男子汉很少哭,当时心中忽然暖流涌动,但还是强忍住没哭。那是一种强烈的感动,感动到想哭的感觉。整个新闻发布会上,我一直强忍着。

发布会结束我们喝香槟,相互祝贺,我还很贱兮兮的问了几个同事哭了没有,然后很自豪地说自己没流泪。

刚刚回到家门口,拿钥匙开门的时候,那种感觉又来了,特别强烈,我哆嗦地打开门,冲进卧室,我再也没忍住,嚎啕大哭了几分钟。

好几年都没哭过的我完全没想到:原来在这件事上,我会变了个人似得那么的感性和情绪化。

刚玩知乎不久,周末早晨慵懒的躺在床上刷知乎。看到知乎后除了吃惊之外有点开心,想不到国内公众对“引力波”这个很小众的方向也有关注,作为少数几个引力波研究“圈子”里的华人之一,我很想来谈一下这个问题,希望借此可以让更多的人了解这个方向。之前我很多次给身边对这个问题感兴趣的亲友解释过“我们做的是什么”,所以我能够用通俗、非专业的词汇描述,结合自己的体会给大家讲下,引力波这个学科的发展历史、物理意义、研究现状等等方面。由于纯手打,可能要分几次写才可以写完,希望大家支持(雷锋网会有系列更新)

对方这方面特别感兴趣的同学,推荐大家看一本书:KIP写的黑洞与时空弯曲(有中文译本),写的非常非常好,通俗易懂。爆一张我和Kip Thorne三个月前的一张合影:

1、 什么是引力波?

1915年,爱因斯坦的广义相对论提出之后,这个描述“时空和物质”理论在很多地方受到实验检验。人们在确凿的实验证据下,一次又一次的被这个伟大理论的深刻与正确而震惊。这好比是这样一种感受:“啊~你们说这个世界和这个宇宙这这样的那样的,太不可思议了吧!和我体会到的感觉完全不一样啊!你们肯定瞎扯,我根本不信!”然后广义相对论在各个方面被实验证实,人们的感受慢慢地开始改变,慢慢接受这个事实:我们这个世界和我们本来认为的不一样。人们也渐渐体会到原来这个世界比我们本来以为的地深刻的多。

感兴趣的同学可以看下面这个,广义相对论的验证: 广义相对论的实验验证

广义相对论的正确性已经毋庸置疑,但是,作为广义相对论的一个重要预言——引力波,却迟迟没有发现。把广义相对论作为人类科学圣经的科学家们上火了,他们坚信,引力波是一定存在的,为了探测到这个引力波,几代科学家们做出了很多尝试和努力(这个具体我们后面章节再说)。那么这个神秘的引力波,到底是啥玩意呢?

用最简单的一句话来描述,引力波是“时空的涟漪”。听起来好玄乎啊,什么是“时空的涟漪”? 容我慢慢道来:

相信有不少同学对广义相对论不是很了解。来,不慌~这里你花几分钟就可以“学会”广义相对论,然后有了理论的武装,你就可以轻松理解本文里的很多事情啦。

要理解广义相对论,你只需要知道两句话,第一句相信大家都听说过:

1、空间三维+时间一维,这样时空就是四维。时空就是时间加空间,是一个整体。

比如:你就处在一个时空里。因为,此时此刻(时间),你一定在某个地方(空间)读这句话。
同样,人们的宇宙也是时间加空间,所以宇宙就是四维时空。

第二句话就厉害了啊!大家看到后就知道广义相对论讲得是什么了!

2、时空告诉物质如何运动; 物质告诉时空如何弯曲

spacetime tells matter how to move; matter tells spacetime how to curve

恩,很简单吧, 广义相对论就是具体说了时空是告诉物质怎么运动,以及,物质是让时空怎么弯曲的这么一个理论。 这样也隐含了这么个意思:物质(有质量的东西,可能是能量,因为能量也有质量)如何在它的时空里运动,取决于它所处的时空性质。另一方面,只要有物质存在的时空,就会弯曲。弯曲程度、怎么弯曲,取决于它肚子里的物质质量大小以及分布。

看,其实不用管那些烦人的数学公式,我们也可以从根本上理解这门“深刻”的理论对吗?好的,大家既然已经理解相对论了,那现在就可很轻松地理解引力波了~^^~

先看一个图:

两个黑黑的就是黑洞,黑洞是质量很大很大的天体。由于质量很大很大,根据“ 物质告诉时空如何弯曲 ”,他周围的时空会一定弯曲得很厉害是。时空不弯曲的时候就像一汪平静的湖水,你在上面轻轻放上一个皮球,皮球下面的水面是一个弧形的吧,这就和黑洞存在、附近时空弯曲一个道理。光有一个皮球停在水面上,水面还是很平静。但是如果有两个皮球像图中两个黑洞那样彼此环绕运动着,那就不得了啊,水平会泛起阵阵涟漪。

同志们!水面是时空的话,那水波就是引力波! 不要把引力波理解成引力的波,引力波的本质是时空的涟漪,是时空的波动! 肿么样?是不是感觉一下子深刻了许多?我一直都觉得,越深刻的东西,越是那么平易近人、那么容易理解。

细心的同学可能已经 看出来引力波产生的前提是什么了,是的,就是物质的运动。物质质量越大,运动的越剧烈,对这个时空的扰动就越大,引力波就越强。

黑洞是质量多大的天体啊,这两个大家伙跳着探戈,时空不被他们搅得天翻地覆才怪呢。

那~那~你们怎么还没有探测到引力波?

同学你问得好,问的我们无地自容,但又有点小委屈,真想嗷一句:皇上,臣妾做不到啊!

2、 探测引力波的意义

注:本节可能会涉及一些 别的学科 的知识,如果表述不正确,请大家指出。

引力波界大佬之一Bernard Schutz上几个月前退休。四年前,他曾在北京大学做学术报告时发表感慨: 我们花了几十亿美元找引力波,还是没找到,有时候我晚上碎觉想想,我怎么能和老婆睡自己床上呢?我TM应该睡监狱里啊。

听着大老板的这番话,当时在座很多人人包括我都会心一笑,多半把他的这番话当成是玩笑话。但是后来自己进入了和这个研究领域,成为他团队下的一份子后,才真正明白引力波探测的艰难。 善良的科学家们,花着大把纳税人的钱去找引力波,半个世纪过去了,我们依然“一无所获”,有点愧疚也是情有可原。

引力波探测对于物理、对于我们加深对这个宇宙起源、这个时空本质的理解是非常非常重要的。它的初衷可能只是验证、或者否定相对论的正确性,但是他的物理意义是远远超过这个。 毫不夸张地说,未来由引力波探测带来的新的发现,拿20个诺贝尔都轻轻松松。 在后面的章节,我会具体提到引力波对物理各个方面的意义,为什么我们愿意花几十亿美元(甚至上百亿),去研究、去探测一个看似和我们生活没什么关系的东西。但是在本节,我很想从另外一个角度来说它的意义,我想讲一个激动人心的故事,一个你我都参与其中的故事,一个我们这代人都值得骄傲的故事。

恩,引力波的意义这件事情,我想还是得从138亿年前说起,大家搬好小马扎听我慢慢道来:

138亿年前,那一团体积有限(可以想象成网球大小),密度温度极高的“东西”爆炸了。这绝对是宇宙有史以来最重要的一件事情,因为这次爆炸,不仅诞生了你和我,还产生了时间和空间。大爆炸的那一刻,宇宙,诞生了。

大爆炸之后的整个宇宙是还是一片漆黑。随着宇宙越来越大,温度迅速降低,直到38万年后,温度终于低到一定程度,光子开始退耦。宇宙的第一缕光诞生了!
宇宙的第一缕光便是宇宙微波背景辐射(CMB),这个的发现又是另一个可以让人会心一笑的故事,这里就不展开了。

宇宙的演化宇宙的演化

宇宙微波背景辐射,你看到的这个就是宇宙的第一缕光,它来自138亿年前,或者说来着138亿光年远的地方。宇宙微波背景辐射,你看到的这个就是宇宙的第一缕光,它来自138亿年前,或者说来着138亿光年远的地方。

“等等”,台下的听众不满意了:“我们是来听引力波的故事的,你扯什么CMB?”大家不要急嘛,宇宙中的任何故事都是一环扣一环,相互联系的。来,下面我们来次时空穿越,从那遥远的138亿年前,来到五亿多年前的地球。
那个时候的地球,热闹极了,有古生物专业的同学对这个应该很熟悉吧。那个时候被称为寒武纪,在距今约5.3亿年前,在2000多万年时间内地球上突然涌现出各种各样的动物,它们不约而同的迅速起源,形成了多种门类动物同时存在的繁荣景象。寒武纪生命大爆发是古生物学和地质学上的一大悬案,目前对为什么生物种类集体出现甚至爆发还没有一个统一的解释。总之,那个时候生物疯狂地进化着,不适应环境的迅速被淘汰,更强的生物取而代之。在这段时间里,有些生物的眼睛进化出来了。下面我们隆重请出本节主角——奇虾小朋友出场!

奇虾(Anomalocaris)奇虾(Anomalocaris)

肿么样?奇虾是不是很Q很萌?可不要被它可爱的外面所欺骗哦,它身长可达两米,非常凶猛:

引用自百度百科:

它有一对带柄的巨眼,一对分节的用于快速捕捉猎物的巨型前肢,美丽的大尾扇和一对长长的尾叉。它虽不善于行走,但能快速游泳。25厘米直径的巨口可掠食当时任何大型的生物,口中有环状排列的外齿,对那些有矿化外甲保护的动物构成了重大威胁。这是一种攻击能力很强的食肉动物,它的个体最大可达2米以上,而当时其他大多数动物平均只有几毫米到几厘米。

奇虾作为当时海里的霸主,能够统治海洋几千万年,除了他的强大的身体之外,还得益于他头顶那对黑溜溜的大眼睛。要知道,在寒武纪,眼睛才开始进化,很多生物没有眼睛呢(可能只有感光细胞),有些生物虽然有眼睛,但是因为进化不够完全,所以视力很模糊,只能看到隐隐约约地看到环境物体的轮廓,所以当捕食者朝它靠近时,它完全反应不过来。奇虾,作为成功的捕食者,在这场“雷达军备竞赛”中一直遥遥领先,它相对于当时的大多数生物,率先进化出了,可以真正“看到”东西的眼睛!

眼睛的发展本身是一个很复杂的课题,它游一开始的那些感光细胞开始进化,逐步逐步形成了类似于现代生物的那种眼睛。我们姑且把奇虾小朋友作为第一种有“复杂”眼睛的生物。

大家来算算:

138亿年前:第一缕光
45亿年前:地球诞生
36亿年前:地球生命诞生
5.3亿年前:有眼睛的奇虾终于可以看到存在了一百亿年的光

那个时代的生物,从某种角度上来说,是值得骄傲的!他们作为第一批地球生物,看到了那温暖明媚的——光!从此,视觉成为了许多生物,包括人类的最重要的感觉之一。

好了好了,让我们回到物理,回到时空,回到引力波当中来。其实,我在生活中,被很多次地问过:你们探测这个引力波有什么用呢?每次我都可以回答得很好,哪怕对方完全是物理零基础的文科妹子,因为有时候我不讲物理,我讲这个奇虾的故事。

引力波用粒子的角度去理解就是引力子,和光子的理解方式类似。 但是不同于光子在宇宙38万年诞生后才产生,引力子早在宇宙大爆炸之后仅仅0.0000....0001(里面35个0)秒就先退耦了,存在于这个宇宙中,这也被称为原初引力波。

之后的一百多亿年的时间里,除了那些原初引力波,宇宙中任何物体只要运动,都会辐射引力波。 两个黑洞共舞会释放引力波,超新星爆发会释放引力波,月亮绕着地球会释放引力波,悟空挥动起金箍棒来也会释放引力波,你在路上和心仪的妹子擦肩而过时候,除了你的砰然心动,你,还是在释放着你的引力波。

对啊,你说对了, 引力波就是另一种光,这种“光”的本质是时空的波动,但是还是可以把它理解成除了电磁波(光)之外的令一种光。

神说:要有光。

于是奇虾在133亿年后看到了第一种光。

138亿年后

今天,或者说即将,我们就可以看到第二种光!

这绝对是继奇虾同志之后五亿年以来最重要的时代!

这个“即将”是多久?业内普遍认为引力波将在4年内被探测到,同学们啊,才四年,其实就算预计的四年内探测不到,那引力波被探测到也是这个时代要发生的事情。作为恰巧生处于这个时代的每一个人,都应该为这个时代而骄傲,为人类而骄傲,为地球生命而骄傲。这个时代的地球人类,代表着地球生命,可以骄傲地宣布:我们不再失明,我们看到了,我们看到了那第二种光!

这里想插一句,小时候特别喜欢看圣斗士。小学时候经常被里面的什么小宇宙第六感什么的撩得亢奋。是的,引力波探测到了后,人类就会拥有正真的第六感,那种感知时空涟漪的能力。在科学上,人类的这种第六感,无疑是人类的一双“天眼”,可以窥探出许多我们之前看不到的东西,比如大爆炸之后38万年之前的宇宙,比如黑洞的并和等等。有了这双天眼,宇宙的很多奥秘便可尽收眼底!

  • 为什么业内普遍认为是四年内探测到?

我会在后面章节具体说这个,这里先简单介绍下为什么。

说2019年可以探测到是因为引力波的主要探测器ligo在近几年可以完成升级,完成升级之后的ligo具有更高的灵敏度,结合天体物理的各种模型和数据,我们探测到引力波事件可以增加到几十次每年。如果那时还没有探测到引力波,那不是广义相对论出问题了就是天体物理的很多理论出问题 当然也有可能是我们工作没做好;) 另外我想提一下bicep2,其实bicep2的结果被普朗克数据否定也在预料之中。不过就算bicep结果被后来的普朗克数据证实,也称不上是探测到了引力波,只能算引力波存在的一个间接证据。直接探测引力波 主要是靠以ligo为首的几个大型引力波探测激光干涉仪。

  • 为什么探测引力波这么困难?

——引力波把黑洞并合的交响曲带给地球,物理学家设计出仪器来寻找那些波,倾听他们的音乐。

图:蟹状星云中子星。距离我们6500光年,每秒自转30.3次,同时释放着强大的X射线,伽马光以及引力波。

一切看似都是这么美好,是啊,多简单呀,只要广义相对论说他就是存在的,那努力造仪器找不就完了吗?可是很可惜,我们的宇宙中有一样东西特别特别快,还有一样东西特别特别小。

是滴,快的是光速,3亿米每秒;小的是万有引力常数6.674e-11牛平方米每千克。

我把这两个数列在下面:

c=300000000(八个零)
G=0.0000000000667(11个零)

霍金在时间简史中开玩笑说, 科普书里面加一个公式,销量就会减半 。同样我也非常不喜欢在科普文章里面列公式出来,我如果写下下面那个公式,点赞会不会也减半?

文科生不要被这个公式吓到,很简单的都是乘除法啦,安心听我讲,很好理解的!

h0 =40×G×I×f^2×e/(c^4*D)

引力波强度=(40×万有引力常数×转动惯量×频率的平方×椭率)除以(光速的四次方×距离)

就是由于这两个数(c和G),导致我们探测引力波是那么的艰难。

我先简单分析下里面各个量的数值:

I:转动惯量。这个基本和物体的重量和形状有关,简单说,质量越大的物体转动惯量越大,比如中子星,有1.4个太阳质量,他的转动惯量是一个很大的很大的数,大约1e38(嗯,很惊人,一共38个0!)正是由于中子星转动惯量比较大,所以我们可以把它作为一个很好地引力波源,而不是在玩呼啦圈的你。

f:频率。中子星转得越快,引力波越强。不过我们已知的中子星的转速,最快也就每秒钟1000下。所以我们在这项上又赚了6个0!

e:椭率。中子星不是一个绝对完美的球体,如果绝对完美,它转起来对时空是没有扰动的,也不会释放引力波。一般认为他的椭率大概在1e-6。恩,我们在这个参数上损失了6个0.

D:距离。这个不得了,大家知道宇宙其实是很空旷的,恒星间距离都已以光年计算。假设那个中子星离我们1000光年。那么就是1e19米。这次我们亏不少,幸好有前面的38个0顶着。

同学们,不要忘了,我还没有计算万恶的c和G,关键这c还是四次方的!
那引力波强度现在是几个0了?1+38+6-6-19-11(引力常数)-8×4(光速)=......-23。

天啊,此役惨败!就算我们用中子星这么完美的天体引力波源,我们要找的引力波强度才0.00000000000000000000001(1e-23)。

这个引力波的强度的影响,相当于1公里的长度上有了1e-19米的变化!

这个是什么概念?

最小的原子氢原子的半径:1e-10m
它的原子核半径:1e-15m。

现在,自然告诉我们, 如果想看到引力波,我们需要在1公里的长度上找到那小于原子核半径一万倍的空间变化 ,这......您不是开玩笑嘛?

可以想象当年引力波科学家发现引力波是这么小的一个微弱的量时候,内心是多么绝望!甚至在广义相对论提出后的二三十年中,没人敢尝试找这么微小的的一个量。

所以,别扯什么精密机床,分子拼接这种“高精度”的实验或者设备。我可以无比肯定的说,这个世界上,空间尺度最精密的实验,毫无疑问就是引力波探测。这是自然迄今为止给予人类最高难度的挑战,一度被认为是人类现有技术远远达不到的挑战。想要激发小宇宙获得第六感,自然给我们的要求就是:你要先完成超神之举。

如果引力波可以被人类探测到,我想用我最喜欢电影之一《致命魔术》中的一句台词表达我们的心情:

引力波探测有多难?很难很难很难,引力波探测是一个世界性的大项目,集合和人类在物理、工程、数学、计算机方面最先进的理论、技术、和智慧。人类穷尽所能为了探测到那4公里长度里面小于原子核尺度的那个时空涟漪。关于探测有多艰难,之后会再更新。

3、引力波科学发展历史

引力波的存在性,在广义相对论提出之后,在上个世纪40年代曾受到不少物理学家的质疑。虽然不久之后质疑渐渐消去,但是当大部分的物理学家认为,引力波如此微弱,是不可能探测到的。第一个对直接探测引力波作为伟大尝试的人是约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)。早在上个世纪50年代,他第一个充满远见地认识到,探测引力波不是没有可能。从1957年到1959年,韦伯全身心投入在引力波探测方案的设计中。最终,韦伯选择了一根长2m、直径0.5m、重约1吨的圆柱形铝棒,其侧面指向引力波到来的方向。该类型探测器,被业内称为共振棒探测器(如下图):

图:韦伯和他设计的共振棒探测器。引力波驱动铝棒两端振动,从而挤压表面的晶片,产生可测的电压。

当引力波到来时,会交错挤压和拉伸铝棒两端,当引力波频率和铝棒设计频率一致时,铝棒会发生共振。贴在铝棒表面的晶片会产生相应的电压信号。共振棒探测器有很明显的局限性,比如他的共振频率是确定的,虽然我们可以通过改变共振棒的长度来调整共振频率。但是对于同一个探测器,只能探测其对应频率的引力波信号,如果引力波信号的频率不一致,那该探测器就无能为力。此外,共振棒探测器还有一个严重的局限性:引力波会产生时空畸变,探测器做的越长,引力波在该长度上的作用产生的变化量越大。韦伯的共振帮探测器只有2m,强度为1e-23的引力波在这个长度上的变化量实在太小,对上世纪五六十年代的物理学家来说,探测如此之小的长度变化确实非常困难。虽然共振棒探测器没能最后找到引力波,但是韦伯开创了引力波实验科学的先河,在他之后,很多年轻又富有才华的物理学家投身于引力波实验科学中。

在韦伯设计建造共振棒的同时期,有部分物理学家认识到了共振棒的局限性,有一种基于迈克尔逊干涉仪原理的引力波探测方案在那个时代被提出。到了70年代,MIT的外斯(Rainer Weiss)以及马里布休斯实验室的佛瓦德(Robert Forward),分别建造了引力波激光干涉仪。到了七十年代期,这些干涉仪已经成为共振棒探测器的重要替代者。

图:引力波激光干涉仪的工作原理

引力波激光干涉仪的基本思想, 可以简单理解为有四个测试质量被悬挂在天花板上,一束单色、频率稳定的激光从激光器发出,在分光镜上被分为强度相等的两束,一束经分光镜反射进入干涉仪的Y臂,另一束透过分光镜进入与其垂直的另一X臂。在经历了相同的时间之后,两束光返回,并在分光镜上重新相遇,产生干涉。

我们可以通过调整X、Y臂的长度,控制两束光是相消的,此时光电二极管上没有光信号。如果有引力波从垂直于天花板的方向进入之后,会对两臂中的一臂拉长,另一臂压缩短,从而两束光的光程差发生了变化,原先相干相消的条件被破坏,有一定数量的光线会进入探测器,得到引力波信号。激光干涉仪对于共振棒的优势显而易见:首先,激光干涉仪可以探测一定范围的频率的引力波信号一般是(20Hz-3000Hz);其次,激光干涉仪的臂长可以做的很长,比如地面引力波干涉仪的臂长一般在km的量级,远远超过共振棒的m。

自20世纪 90 年代起,在世界各地,一些大型激光干涉仪引力波探测器开始筹建,引力波探测黄金时代就此拉开了序幕。这些引力波探测器包括:位于美国路易斯安那州利文斯顿臂长为 4 km 的LIGO(L1);位于美国华盛顿州汉福德臂长为的 4 km 的 LIGO(H1);位于意大利比萨附近,臂长为 3 km 的 VIRGO;德国汉诺威(Hannover)臂长为 600 m 的 GEO,日本东京国家天文台臂长为 300 m 的 TAMA300。这些探测器在2002年至2011年期间共同进行观测,但并未探测到引力波。在经历重大改造升级之后,两个高级LIGO探测器于2015年开始作为灵敏度大幅提升的高级探测器网络中的先行者进行观测。此外,欧洲的空间引力波项目eLISA和日本的地下干涉仪KAGRA 的研发与建设也在紧锣密鼓地进行。

图:位于美国路易斯安那州利文斯顿附近的臂长4km的激光干涉仪引力波探测器 LIGO(L1)

左图为位于美国华盛顿州汉福德附近的臂长4km的激光干涉仪引力波探测器 LIGO (H1),右图为 位于意大利比萨附近,由意大利和法国联合建造的臂长为 3 km 的激光干涉仪引力波探测器 VIRGO

图:日本的地下干涉仪KAGRA内部,在山顶下方1000米处。地下岩壁都用防水布包裹,因为里面水太多了。当时有个日本哥们在国际学术会议上做的报告简直就是在卖萌:今天这里水很多,我擦了擦,明天那里出来条小溪,我把它填了......给我感觉他的整个博士阶段就是在拖地。PS:后排左一是我。

一个引力波探测器造价要数亿美刀,非常昂贵。肯定有不少同学会问,为什么我们要花这么多钱在全球各地建造那么多探测器呢?这是是一个非常好的问题!

前文已经说了 引力波的强度是那么的微弱,我们探测器必须要造得非常非常灵敏才行。 灵敏到什么程度?这里我给大家讲个个真实的八卦。 我听我在GEO600工作的同事说,在德国汉诺威的GEO600经常会受到一种周期性信号,后来分析原来是远在千里之外大西洋的海浪对北欧大陆的影响。

请问各位同学,假如有一辆卡车在某探测器旁开过,我们怎么知道我们测到的是真实的引力波信号还是噪声呢?

最简单最有效的解决方案,就是.....

建俩儿......

理由很简单,引力波经过地球时候,对所有探测器都有影响。而卡车经过,或是海浪,或是某人在边上放了个爆竹,只会在一个参测器上产生噪声。建造引力波探测器网络,除了可以有效地甄别虚假信号之外,还可以更精确地测定引力波天体源的位置,分析引力波天体源的结构和性质。

图:分布在世界各地的引力波探测器网络