又一次发现引力波的LIGO——对宇宙真理的百年追逐（上）
北京时间今天凌晨，科学家赶在诺奖之前又宣布探测到了一起引力波事件。此次引力波的成因仍是两个黑洞的并合。在18亿光年外，两个质量分别为太阳31倍和25倍的黑洞合二为一，最终形成一个53倍太阳质量的黑洞。在此过程中，3倍太阳质量的物质被转化为能量，以引力波的形式辐射出来，在茫茫宇宙中向外扩散。今天我们就回顾一下引力波和LIGO的前生今世，本文作者Saturn V。
请注意，本文不会回答你的这种疑问
也不会告诉你该不该买这玩意，因为这是一篇通俗而严肃的科普文章
人类自文明诞生之始便仰望天空，希望有朝一日能知晓身处这庞大宇宙的奥秘。2016年2月11日，美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）和意大利的处女座干涉仪天文台（Virgo），两个普通民众闻所未闻的科研机构，发布了一篇几乎登上全世界所有新闻媒体首页的论文。人类首次检测到了引力波，又是一个普通民众闻所未闻的科学名词，新闻里不断播报着相对论最后一块基石终于得到证明，爱因斯坦又双叒叕“猜”对了。过滤掉媒体的喧嚣，褪去新发现诞生时的激动，要理解引力波天文观测的真正意义，我们还要将时间倒退330年，回到1686年的夏天，地点英国皇家学会。
1686年7月5日，被苹果砸出灵感的牛顿出版了一本名为“自然哲学的数学原理”的书，首次介绍了万有引力定律。在牛顿看来，世间万物之间都有互相的吸引力，而这吸引力的大小取决于物体自身的质量和物体间的距离。基于天文上对行星环绕轨道的观测，牛顿计算出定义吸引力的比例常数G，由于G的大约为10-11，因此质量极小的人类感受不到除地球外其他物体的的万有引力。
万有引力理论是完全基于当时所能进行的天文学观测得出的结论，因而很快便得到英国皇家学会认可，牛顿也因此踏出了以数学理论来解释宇宙真理的第一步。时间快速推进200年，在这期间以万有引力等式为基础，描述电荷间作用力的库仑定律诞生，以常数定义固定作用力，已是物理界所有理论的基石。但这块石头却在1859年出现巨大的裂痕，法国天文学家奥本•勒维耶发现和万有引力预测的不同，水星环绕太阳的椭圆形轨道会不断在轨道平面上改变取向，使整个环绕轨道宏观上成花瓣状，无比美丽的同时却也相当令人费解。
根据万有引力定律，太阳对水星的引力是相对固定的，并不会造成轨道平面上渐进变化，而太阳系其他行星对水星的引力也不足以造成轨道渐变。包括勒维耶在内的许多天文学家，物理学家和数学家都试图以各种理论解释水星离奇的轨道，然而却都无功而返。由于水星是太阳系所有行星中距离太阳最近的，太阳对水星的引力也最大，勒维耶最终只能以“万有引力定律不适用引力较强时”这一限制条件来勉强解释，直到半个世纪后的1915年。
1915年11月，年仅36岁的爱因斯坦在普鲁士科学院首次向世界展示了用以融合引力和狭义相对论的广义相对论，由于爱因斯坦场方程（上图）对水星轨道的预测完全符合实际观测，广义相对论瞬间便引起轩然大波。狭义相对论中已经推翻了牛顿时间和空间分开的理论并首次引入时空这一概念，一直致力于给牛顿“拆台”的爱因斯坦因此认为引力其实不是“力”，而是质量对时空的扭曲而造成的一种错觉。如果把时空比作一张摊平了的网，那么质量就是放在网上面的石块，石块的存在导致网凹陷扭曲，进而使其他物体顺着网的扭曲掉入石块的凹陷处，形成所谓的引力。在爱因斯坦眼里，我们身处的宇宙并不是一成不变的三维空间立方体，而是一张由长宽高三维加上第四维时间组成的，被质量不断拉抻收缩的四维时空网格。
1919年英国天文学家爱丁顿在日全食时对太阳背面行星进行观测，确认了太阳引力会扭曲时空进而导致直线传播的光线“转弯”这一事实，为爱因斯坦相对论提供了最直接证据。这里插一句题外话，为何说爱因斯坦是理论物理天才，也很可能是人类有史以来最聪明的人，是因为20世纪三大全新的物理理论，混沌理论，相对论和量子力学中，有一个半是爱因斯坦的功劳。不过讽刺的是爱因斯坦获得的1921年诺贝尔物理学奖却不是奖给完整“一个”的相对论，而是奖给“半个”量子力学中的光电效应。更为讽刺的是爱因斯坦本人却因为量子力学天然的不确定性，到死为止都认为量子物理是物理学中不完整的“异端”。
不过爱因斯坦本人也对广义相对论的一项预测心存余悸，那便是引力波。就像船经过水面会因为持续扭曲水面而产生波浪一样，按照广义相对论理论，移动中的质量也会因为持续扭曲时空而产生时空上的波浪。仿照移动中的电荷产生电磁辐射的称呼，同时也为了向自己的偶像，融合了电学和磁学的麦克斯韦尔（麦克斯韦尔方程组）致敬，爱因斯坦将时空上的波浪称为质量辐射，为方便理解后人改称为引力波。不过当德国天文学家史瓦西根据爱因斯坦场方程的特殊解，推导出引力波的波方程后，却发现若要实际探测引力波，需要质量密度非常大的物体在接近光速的情况下移动。
嘛，看到这个公式先别慌，这不是数学公众号，你只要知道若想让LGW（引力波强度）尽可能大以便探测，则必须要让RSch（史瓦西半径）尽可能接近质量半径R（及质量密度极大），且移动速度v尽可能接近光速c。史瓦西随后发现若达成上述要求，则此星体的引力已经强大到对时空的扭曲会让任何频率的光都无法逃脱，于是他将这类理论上存在的星体称为“黑星”，当然现在我们称其为黑洞。有趣的是爱因斯坦本人却反对史瓦西提出的黑洞理论，尽管此理论最有可能验证引力波的存在。
更为扫兴的是，如果按照上述公式计算，引力波的振幅h比例大约在10-21左右，而引力波对时空的改变程度Δ l和振幅成正比，也就是说如果探测仪器长度为1米，那么引力波因为拉长和压缩时空，造成对探测器长度的改变仅为10-21米！（10的负21次方）这是什么概念呢，质子的直径为10-15米，引力波造成的变化大约为质子直径的百万分之一，是根本不可能测量的长度。也因此，爱因斯坦在1955年去世时都还认为引力波是他这一生最大的遗憾，只要引力波无法被观测证实，广义相对论便永远是一个缺少最关键证据的理论。引力波探测的转机还要再等20余年。
1974年，美国物理学家拉塞尔•赫尔斯和约瑟夫•泰勒发现人类首个脉冲双星系统PSR B1913+16，两颗中子星围绕着质心快速旋转并周期性向外发射脉冲信号。就像船经过水面引起波浪的同时会消耗船自身能量，根据广义相对论的预测，两颗中子星在不断旋转释放引力波的同时也会消耗自身能量，而中子星是已知质量密度最高的星体，因此中子星组成的双星系统只能通过逐渐减少公转周期来弥补丢失的能量。PSR B1913+16公转周期的逐渐减少（下图红点）和爱因斯坦场方程的预测（下图蓝线）完全吻合！引力波是可以观测证实的！
https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=s13257gx12h&width=500&height=375&auto=0两个黑洞环绕旋转直至最终融合的过程，引力波正出自于此
PSR B1913+16的发现就像一针强心剂，很快在美国国家科学基金会催促下，加州理工学院（CIT）与麻省理工学院（MIT）两个死对头在1984年签署合约，正式开始设计建造激光干涉引力波天文台（LIGO）。探测器设计由麻省理工学院的莱纳•魏斯教授提出，并由加州理工学院的基普•索恩教授完善，两位教授都事先建造完成一个1.5米长（MIT）和9米长（CIT）的LIGO小模型，确认设计的可行性。加州理工学院的这位索恩教授，正是诺兰拍摄电影《星际穿越》时聘请的科学顾问，为电影中黑洞的设计和特效提供了大量科学理论支持。更有趣的是索恩教授还和霍金打赌黑洞是否存在，并让赌输的霍金给自己订阅了一年份的英国“阁楼”杂志。（好孩子不要去搜这是什么杂志）
LIGO是Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory的简写，及激光干涉引力波天文台，由建在美国华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的两套完全一样的设施组成，两个设施距离正好是3000千米。从空中看单个设施探测装置成巨大的L形，两个4千米长的干涉臂成90度角向外展开。LIGO的探测原理可以理解为采用激光的迈克耳孙干涉仪，及用激光光束来测量两条互相垂直的干涉臂长度差变化。由于激光有特定的波形，若引力波造成干涉臂长度变化，则重新汇拢的激光会因所经过距离不同，导致返回时间不同波形产生位移，进而形成新的波形。只要与已知的激光波形对比，便可检测出“干涉”波形位移的引力波波形，干涉仪也因此得名。
不过说起来容易做起来难，尽管每个干涉臂已经有4千米长，但根据前文中的公式，哪怕预计的长度差变化已经扩大3个数量级，变化依然在10-18米，也就是质子直径的千分之一。举例而言人把手轻放在桌子上，桌子大约会缩短10-10米，LIGO的精度早已不是吹毛求疵所能形容的。整个设施不仅要求干扰臂完全真空，LIGO所使用的激光发射器和所有镜片都要进行最高程度的抗振处理，以避免哪怕是人的呼吸在内的所有外在振动干扰。这还没完，由于温度也是振动来源，整个设施都要进行恒温处理，以避免热传导所产生的测量误差。可以毫不夸张的说，总耗资达6.2亿美金的LIGO项目不管在建造复杂程度上还是在观测困难程度上，都丝毫不亚于欧洲的大型强子对撞机。
加州理工学院设计的四重悬挂抗振镜片，用以在干涉臂中稳定激光路线。
LIGO的观测也并非一帆风顺，自2002年投入使用至2010年，LIGO进行了大量观测，但都因为背景噪音过大而未能探测到任何可信的引力波数据。针对噪音问题LIGO从2010年开始进行大幅度改良，降噪升级后的LIGO在2015年9月12日重新开始观测。这次似乎宇宙都为LIGO所感动，在开机后仅两天的9月14日，LIGO便检测到了遥远星系中两个巨型黑洞的“死亡之舞”。
在距离地球14亿光年的星系中，两个质量分别是太阳29倍和36倍的黑洞以光速的60%相撞，融合成一个质量为太阳62倍的超巨型黑洞，3个太阳质量级别的能量全部以引力波形式释放。在撞击前的最后30毫秒，两个黑洞释放出的引力波功率达3.5*1049瓦，比可观测宇宙内所有恒星辐射功率总和的50倍还要高。这惊人的能量穿越了十几亿光年漫长时空，终于带着宇宙真理的声音，来到了人类文明的起始之地。说来也巧2015年恰好是广义相对论诞生100周年，引力波，这个连爱因斯坦本人都不曾认为可被探测到的质量辐射，这个来自宇宙深处讲述着宇宙真理的“声音”，终于被人类“听”到了。
在横向位移了10微秒后，汉福德的数据和利文斯顿的数据近乎完全重合，广义相对论的美妙之处莫过于此。就像麻省理工学院天体物理学家马瓦瓦拉教授在演讲时所说，LIGO做了什么？LIGO花费了30年建造完善了16公里长的真空管，用两个750千瓦功率的激光和人类有史以来造过的最光滑最通透最稳定的光学组件，仅为在0.2秒的时间（上图横轴）里检测出大约是质子直径千分之一的长度变化（上图纵轴），而这一切都是为了验证100年前人类最有名的物理天才根据几百年物理知识积累所提出的宇宙理论。所以每当你怀疑人类智慧的时候，回头看看LIGO。
不过，马瓦瓦拉教授接着说，这只是引力波时代的开始…….
（未完待续）
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