"我一百年前就预言到了这历史性的一刻了哟" | 引力波被发现

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按：欢迎你，地球人，来到引力波（gravitational wave）的时代，这是一个值得纪念的日子。

北京时间昨日深夜，一个重要的消息被宣布：人类首次直接探测到了引力波——13亿光年之外两个黑洞合并所产生的时空震荡，被地球上的两个探测器同时发现，自此，广义相对论在提出100周年之后得到了最直接的验证和最重要的肯定，宇宙的歌响起来了，生生死死，正唱给你听，我们终于听到了宇宙的声音。

引力波交响曲

https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=k1303z1v23s&width=500&height=375&auto=0字幕翻译：与传统天文（观测的是光）不同，对于引力波——这种被爱因斯坦的广义相对论所预言的时空结构中的涟漪——最好的解释就是声音的一种。接下来的声音是模拟黑洞和中子星在合并时所产生的声音。短暂的啁啾声来自于双恒星级黑洞最后死亡时的呐喊（两个黑洞合并到一起时的声音），这个信号以后能够为LIGO干涉仪所探测到（书评君注：说的就是这次成功的探测啦！）。这个长而且低沉的声音来自于大质量黑洞，他们的声音能够被未来的太空干涉仪探测器LISA所探测到（当然如果依旧发射的话）。这些声音频率本来很低，现在被放大到了我们的音域范围之内。在不远的未来，我们应该能够探测到一些真实的引力波，到时我们就应该可以播放来自于宇宙的真实声音。

引力波，带人类倾听宇宙之歌

400年前，伽利略发明了第一台天文望远镜，他看见了月球的丘壑与木星的卫星，使人类能够亲眼见证宇宙，然而，通过光线，人类无法回溯时间的开端，无法瞥见宇宙创生的初刻。若想得见宇宙微波背景辐射之外的情景，我们只能依靠引力。而引力会在时空中激起涟漪，这就是我们所说的引力波。望远镜在此无能为力，对引力波的探测需要新型的仪器。

引力波最初只是阿尔伯特·爱因斯坦的一个理论构想，来源于方程式的推导，而非真实的实验观察。爱因斯坦最早提出了这一概念，并在他的广义相对论中预言了引力波的存在。他认为某些质量非常大、运动速度又非常快的物体，会对周围时空结构产生扰动，引力波就是时空扰动向外传递的微小涟漪。这种涟漪有多微小呢？他说，引力波小到永远无法被观测到。

“听说你们探测到了！”

在引力的世界中，我们的宇宙通常一片平静，直到北京时间2015年9月14日17点50分45秒。Bang！那一刻，在距离地球13亿光年之外，两个巨大黑洞发生了一次致命性的“亲密接触”，地球上LIGO（激光干涉引力波天文台）的两个探测器同时探测到了宇宙深处的这一场引力风暴！

这一场天外撞击事件，加上科学家精密到氢原子的百亿分之一级别的系统设计，让我们骄傲地走进了新时代。在这值得纪念的一天，我们与国家天文台研究员砺珺聊了聊引力波。（他也是《星际穿越》一书的译者噢，《星际穿越》的作者基普·索恩昨天还在发布会上发了言噢！）

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引力波：

“时空自身的波动”

新京报：什么是引力波？

砺珺：既然称之为引力波，它必然与引力有关。所以，在进一步了解引力波之前，我们需要了解一下人类对于引力的认识过程。17世纪末的物理学家牛顿看到了下落的苹果，意识物体之间普遍存在的一种力，称之为“引力”，并且将其数学化，这就是我们熟知的万有引力。万有引力认识的精髓，是物体质量的存在导致了引力，这在牛顿之后的两百多年里被认为是宇宙间的绝对真理。直到1905年狭义相对论发表，再到1915年广义相对论的发表，爱因斯坦提出了一种完全不同的对于引力的看法：引力是因为质量对于时空造成了变形所导致，而非质量之间的吸引。这就意味着，时空可被当做一种可以变形的介质来认识。所以，简单地说，引力波就是时空自身的波动。相比较我们熟知的无线电波（或者电磁波），它仅仅在时空之中传播，时空是它的媒介。

人们常说“星辰大海”，如果将时空视作海洋，那么天体就如同海洋生物一般。可以想象，如果大海中的某个生物摇了摇尾巴、或是晃了晃头，海水由此所产生的波动就会向外传播。与此类似，宇宙中某个天体的剧烈活动，会对所在的时空产生扰动，时空自身的波动也会向远处传播，如果足够强，就能够为地球上的我们所感知。

产生引力波的双黑洞合并：

“黑吃黑的火拼”

新京报：这次的波动有多强？我们完全没感觉啊……

砺珺：其实，此次发布会还有另外一个亮点，就是双黑洞的发现。这是人们首次发现直接发现双黑洞系统，两个黑洞的质量分别为26个和39个太阳质量，属于恒星级黑洞。或许你已经听腻了黑洞，生活中时不时的会听到某某黑洞爆发了，某某黑洞吞吃恒星了等等。但是这次的发现却有些不同，两个天体都是黑洞，互相绕转，最后合并。这听起来像是一场黑吃黑的火拼（真的是“黑”吃“黑”），甚至有点儿像香港电影里我们熟悉的火爆场面。黑洞合并产生了非常强烈的时空振荡，所以我们遥远的地球才观测到了。

两个大块头合并之后，形成了一个62太阳质量的黑洞。不对！怎么少了3个太阳质量？！其实，引力波也是携带能量的，所以在黑洞合并之时，它的形状是非常不对称的，在振荡恢复的过程当中，一部分质量通过引力波的方式辐射出去，从而为我们所接收。

双黑洞的合并产生了强烈的时空震荡——引力波

被引力波击中的话

“会变高变瘦，然后变胖变矮”

新京报：从预言到探测，物理学家等待引力波的到来已有一百年之久，为什么引力波这么难探测？

砺珺：主要原因是，相比较其他的几种力（强力、弱力、电磁力），引力是最弱的，相应的引力波效应也就很弱。想当初爱因斯坦在发表自己新的理论之后，就估算了引力波的强度。引力波的强度通常利用相对变形的大小来表示，结果往往是小的可怜，几乎无法探测到。引力波是时空的自身变形，在一个方向上被拉伸，在其垂直的另外一个方向上就会被压缩。如果我们有一天，我们被同样的双黑洞系统在合并时所产生的引力波（变化强度为1.0E-21）所击中的话，理论上来说，我们同样会经历一个稍微变高变瘦，然后变胖变矮一些的过程。实际上，对我们身高不超过2米的人类来说，导致的变化大约为2E-21，为一个氢原子的五百亿分之一（一个氢原子的大小大约为1.0E-10米）。

变高变瘦，然后变矮变胖

引力波的效应是如此之小，所以一方面需要增加探测的长度，来增强变化的效应，另外一方面通过巧妙的方法来探测到微小的变化。这也是此次新闻发布会中提到的激光干涉引力波天文台(LIGO)在建造之初所考虑的。它有两个观测点，分别建在美国华盛顿州的列文斯顿和路易斯安那州的汉福德。每个观测点都有两个互相垂直，每条长达4公里的臂。长臂中间是高度真空的管子，而在长臂两端，悬挂着大约直径34厘米、重达40kg的反射镜。LIGO的探测器利用激光干涉技术，不间断地测量每对发射镜之间的距离。每当引力波通过探测器时，人们会探测到两对发射镜之间的距离呈现此消彼长的周期性变化。

LIGO的两个天文台相距3000公里，通过探测信号的时间差，我们就可以知道引力波的传播速度。如果以光速传播，那么时间差将会是10个毫秒量级，这和观测结果一致，从而确认了引力波的传播速度为光速。

即使对于LIGO天文台4公里的长臂，引力波所造成的变化也是极其微小的。对于两个10个太阳质量的双黑洞合并，其可能产生的尺度相对变化最高可为1E-21，意味着4公里的长度也仅仅只变化了一个氢原子直径的2.5千万分之一。为了达到这个精度，LIGO的科学家做了许多精密的设计，保证探测系统的稳定，保证LIGO反射镜的位置随机涨落小于一个氢原子大小的百亿分之一，从而保证可以相对比较容易的探测到可能的引力波源。

LIGO天文台所探测到的引力波

广义相对论的胜利！

“引力波是一种全新的看待世界的方式”

新京报：探测到引力波，对人类而言意味着什么？

砺珺：毫无疑问引力波是对广义相对论的一个最直接的验证。另外它在弱场中已经得到验证，但是对于强引力之下的验证，之前却从来没有验证过。所以此次的观测，是对广义相对论的一个非常好的检验。

引力波以光速传播，它与物质的相互作用非常非常的弱，所以引力波可以给我们提供我们宇宙几乎无阻挡的图景，而这个几乎是无法利用我们熟知的电磁波来达到的。比如，利用引力波，我们可以看到宇宙的最早期，宇宙大爆炸之后的1E-36秒开始的宇宙形成过程。而对于电磁波而言，它最早只能看到大爆炸后的大约300,000年之后的宇宙历史，在此之前，电磁波是不能给我们提供的。所以引力波是我们了解我们宇宙形成的最好工具。

如果你还记得，在《星际穿越》电影中的结尾之时，主人公库珀身处一个5维时空的超体方体中，为了将从黑洞中心所提取出来的信息传递给身处4维时空的女儿墨菲，人为制造引力波效应，成功将信息传递，从而使人类得以解救。从目前物理学家的认识来看，引力波是唯一一种可以在不同维度传播的波。不同宇宙之间的碰撞，会产生引力波。说不定，在不远的将来，我们也可以依靠引力波来判断多重宇宙的存在与否。

一个天生的聋哑人，一直在听别人描述声音的存在，突然有一天，他的听力恢复，第一次听见了声音——我想，我们此刻的心情也是差不多如此。引力波为我们打开了一扇全新的窗口，引力波是一种看待世界的方式。历史的发现轨迹告诉我们，每一扇新的窗口被打开，都会有令人称奇的发现。虽然LIGO的探测能力还是有限，一旦这个引力波的世界被撬开了一道小的裂缝，让我们看到了春天的种子，相信硕果累累的引力波丰收季节也不会太远。

本文为原创稿件，采写：方格，编辑：禽禽，未经授权不得转载。

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