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2月27日下午，由未來論壇、清華大學(xué)“新世界·新視野”公眾講座系列、清華大學(xué)時代論壇聯(lián)合主辦的“解密引力波——時空震顫的漣漪”講座在清華大學(xué)大禮堂舉行。加州理工學(xué)院物理學(xué)教授、美國物理學(xué)會會士、LIGO科學(xué)合作組織核心成員及引力波論文作者之一陳雁北、清華大學(xué)信息技術(shù)研究院研究員、清華大學(xué)天體物理中心兼職研究員、LIGO科學(xué)合作組織成員及引力波論文作者之一曹軍威為我們帶來目前最為權(quán)威的引力波講座。 以下是陳雁北教授的演講原文： 引力波的緣起 講到引力波，開始要談到的是時空這一概念。1905年，愛因斯坦創(chuàng)立了狹義相對論，其基礎(chǔ)在于電磁場理論。在這之前，大家發(fā)現(xiàn)電磁場理論是適于所有慣性參照系的。簡單說來，我有一個手電，它發(fā)出的光以30萬公里/秒的速度傳播。這個時候，如果我有一輛汽車，它開得特別快，開到20萬公里/秒。汽車看到的光的速度是多少？不是10萬公里/秒，也是30萬公里/秒。這是非常奇怪的現(xiàn)象，跟過去對速度的理解是完全矛盾的。 愛因斯坦想到的解法是：在研究物理的時候，要把時間和空間放在一起考慮，比如空間的坐標(biāo)上畫了30萬公里、60萬公里的格子，時間上畫了1秒、2秒的格子，光線就沿著30萬公里/秒的速度傳播。從坐標(biāo)原點(diǎn)出發(fā)的光線在時空中掃出光錐，在光錐內(nèi)部就是從坐標(biāo)原點(diǎn)到達(dá)的所有范圍，就是坐標(biāo)原點(diǎn)未來的區(qū)域。不管以什么樣的速度看，只要在光錐內(nèi)部的世界，永遠(yuǎn)都是坐標(biāo)原點(diǎn)的未來。 在光錐外面的世界是不一樣的，比如在60萬公里以外，距離現(xiàn)在1秒的事件，這個世界在現(xiàn)在的坐標(biāo)系看來是在坐標(biāo)原點(diǎn)的未來。但是，如果我有速度非?？斓钠嚕谄嚳磥?，這個事情發(fā)生在現(xiàn)在的坐標(biāo)原點(diǎn)以前，這就是同時性的相對性。時空的概念可以用來解釋構(gòu)造一個自洽的電磁波理論。 但是，牛頓的萬有引力是瞬時傳播的，它跟狹義相對論是矛盾的。愛因斯坦在1905年以后開始思考怎么才能把狹義相對論和引力統(tǒng)一在一起。 他的方法是從伽利略的等效原理開始考慮。引力是非常特殊的相互作用，不同的物體在引力場中下落的加速度是一樣的。比如，這個特點(diǎn)對于電磁理論是完全不適用的：不同的帶電粒子在磁場中的加速度完全不同。愛因斯坦看到了這一點(diǎn)，他決定引力是可以由彎曲的時空幾何來實(shí)現(xiàn)的。具體的說，愛因斯坦理論中的引力是這樣的：如果有一個有質(zhì)量的物體，把它放在時空中，它就會讓時空彎曲。 上面的這個網(wǎng)格就代表了一個彎曲的曲面。上面看起來是彎曲的線，如果在曲面上局部看，反而是最直的一條線。這樣最直的線叫做測地線。如果讓各種不同材質(zhì)的物體都按測底線運(yùn)動，就可以解釋這些物體在引力作用下的曲線運(yùn)動，并且可以解釋等效原理。 愛因斯坦提出了愛因斯坦方程來描述這個現(xiàn)象，左邊（上圖公式）代表時空的幾何結(jié)構(gòu)，右邊（上圖公式）代表時空中的能量和動量的分布。 1916年，數(shù)學(xué)家馬上發(fā)現(xiàn)了廣義相對論的第一個解。后來的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這個解是一個黑洞。在數(shù)學(xué)上，黑洞是一個很簡單的東西，它把時空分成兩部分，黑洞所謂的視界是只能進(jìn)入沒辦法逃出的曲面，是一個球。在外面只可以進(jìn)入視界之內(nèi)，從視界之內(nèi)逃不出視界。 把光錐的概念用到黑洞的時空上，我們能看到的現(xiàn)象就是視界把時空分成兩部分—黑洞的內(nèi)部和黑洞的外部。在黑洞的內(nèi)部，光錐的所有部分都是朝著黑洞中心走。在黑洞內(nèi)部，你的未來完全在黑洞里面，不可能到達(dá)黑洞的外面。你在視界上，你的未來的邊界在世界上，你還是不能逃出這個視界。在視界外面，當(dāng)你距離黑洞越來越遠(yuǎn)的時候，你的未來區(qū)域里面就有更多的部分可以逃到無窮遠(yuǎn)處。從另外一個角度看，所謂的視界，就是黑洞外面能被遠(yuǎn)處觀察者看到的時空區(qū)域的邊界。 黑洞還有另外一個性質(zhì)就是“時間停止”。當(dāng)?shù)厍蛏系穆眯姓邚牡厍虺霭l(fā)到達(dá)黑洞附近，如果他到達(dá)的是黑洞附近非常非常近的距離，他再回到地球的時候就會發(fā)現(xiàn)地球人的時鐘已經(jīng)過了很長時間，而他自己的時鐘只過了很短的時間，這是時間變慢的過程，在黑洞視界上的時間是完全停止的。 用另外一個角度，物理學(xué)家會用嵌入圖的方法表示黑洞。這個曲面可以類比成剛剛看到的網(wǎng)格曲面，只不過這是黑洞外面空間的彎曲的表示。離黑洞越近，這個空間越彎。在這個圖上不同的顏色標(biāo)志著時間流動的速度。在外面，時間流動是正常的。在黑洞的視界附近，時間流動是停止的。這個圖表示了黑洞附近的時空的彎曲，是非常極端的彎曲。因?yàn)闀r間在這里是停止的，而且視界是只能進(jìn)不能出。 科幻作品中的黑洞讓大家產(chǎn)生很多的想象。這個圖是把黑洞放在星空的背景上，所有的星星發(fā)射的光線被黑洞彎折以后，我們看到非常奇怪的景象。 這些畢竟是數(shù)學(xué)上的計(jì)算，黑洞真的是存在的嗎？ 天文學(xué)家已經(jīng)在銀河系的不同部分，甚至在其他星系發(fā)現(xiàn)了黑洞。 在6000光年外的天鵝座X-1的物體，根據(jù)天文學(xué)家的觀測，認(rèn)為是一個含有黑洞的系統(tǒng)。他們認(rèn)為這是一個雙星的系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中有一個非常大的藍(lán)巨星，巨星上的氣體在黑洞引力的作用下，逐漸沿著所謂吸積盤的盤狀結(jié)構(gòu)落到黑洞里面。在這個過程中，因?yàn)楹诙吹囊軓?qiáng)，這些氣體的速度是非?？欤瑲怏w互相摩擦， 吸積盤被加熱到10億度以上，它發(fā)出的X射線的性質(zhì)讓天文學(xué)家推論出這個黑洞的質(zhì)量是太陽的9倍。天文學(xué)上，這叫做恒星質(zhì)量黑洞 。 在天文學(xué)中有另外一種完全不一樣的黑洞。天文學(xué)家通過推算在星系中間運(yùn)動的星體的軌跡，在銀河系中心也發(fā)現(xiàn)了一個黑洞。1995年-2008年期間，根據(jù)在銀河系中心周圍運(yùn)動的星體的軌道，可以推算出中間有一個400萬倍太陽質(zhì)量的黑洞。 天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在很多星系的中心都有這樣所謂的超大質(zhì)量的黑洞。 黑洞是廣義相對論的重要推論，天文學(xué)家用種種方法判定了有些很可能是黑洞的物體。 廣義相對論的另一個推論—引力波 1916年，愛因斯坦在他的方程中發(fā)現(xiàn)了所謂的弱引力場下的解，這個解便描述了引力波。從類比的方法來看，引力波很相似于水面上的波動。當(dāng)水面震蕩的時候，它的震蕩會以水波的形式傳播出去 。類似的， 時空幾何的振蕩也會由引力波的形式傳播。不同的是，在愛因斯坦方程中，引力波是按照光速傳播的。 引力波對物質(zhì)的作用是怎樣的？可以類比水波的圖象。水波有一個波長，考慮在半個波長以內(nèi)的浮在水面上的船。這些船隨著水波上下運(yùn)動，距離比較近的船，他們由水波導(dǎo)致的高度差就比較小，而距離比較遠(yuǎn)的船， 由水波引起的高度差就比較大。 引力波也是很類似的現(xiàn)象，當(dāng)兩個自由下落的物體，當(dāng)引力波入射的時候， 這兩個物體之間的距離會產(chǎn)生變化。產(chǎn)生距離變化的比例是引力波的振幅h。也就是說，距離為 L的兩個物體，在引力波入射時，他們的距離變化大約是Lh。只要在波長以內(nèi)，他們的距離越遠(yuǎn)，引力波導(dǎo)致的距離變化就越來越大。 更詳細(xì)的說：引力波是一個橫波，它影響的是跟引力波傳播方向垂直平面之內(nèi)的距離。沿著引力波方向的距離是沒有變化的。 垂直于引力波傳播方向的平面上的物體，它們之間的距離會按一定規(guī)律變化。物理上說引力波有兩個偏振，也就是兩種不同的模式。這些物體本來是一個圓環(huán)上，當(dāng)引力波入射到達(dá)垂直屏幕的時候，這些圓環(huán)上的物體在一種偏振下是按照這種模式振蕩。在另外一種模式，是側(cè)的45度的模式。 引力波的數(shù)學(xué)發(fā)現(xiàn)以后，大家就考慮，引力波的物理效果是否可以被觀測到？通過愛因斯坦的計(jì)算，他認(rèn)為引力波是非常難產(chǎn)生的現(xiàn)象。產(chǎn)生足夠大的引力波需要非常大質(zhì)量的或者是非常高能量的物體以非常快的速度運(yùn)動。 舉例來講，人類能制造的最大的能量加速度可能就是氫彈的爆炸。這是歷史上最大的一顆氫彈的爆炸。把它的能量全部轉(zhuǎn)化成動能，這個動能用來輻射引力波?？梢园l(fā)現(xiàn)在爆炸附近1米處的物體的引力波的振幅是10＾-27，是非常微小的現(xiàn)象。連氫彈爆炸都不能產(chǎn)生足夠大的引力波，這就說明引力波是很難在地面上產(chǎn)生的物理現(xiàn)象。如果這兩個人的距離是1米，他們兩個人的距離變化是10＾-27米。 但是，這也沒有阻礙美國科學(xué)家韋伯在上世紀(jì)60年代進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。他的目標(biāo)并不是地面上產(chǎn)生的引力波，而是天體物理中的物體產(chǎn)生的引力波。他用所謂的共振法，用一個鋁棒，它本身有一個共振頻率。如果引力波是以共振頻率入射，共振頻率的引力波就會導(dǎo)致鋁棒的振蕩。他想通過檢測裝置探測到鋁棒的振蕩。 在韋伯的實(shí)驗(yàn)中，號稱探測到了很多引力波的信號。但是，他的實(shí)驗(yàn)有兩個問題：一是沒有辦法重復(fù)，二是他探索到的信號也沒有天體物理的適當(dāng)原因可以解釋。所以大家普遍認(rèn)為他的引力波探測是沒有成功的。然而，他開創(chuàng)了引力波探測領(lǐng)域。 在70年代，有人發(fā)明了另外一種測量引力波的方法，用激光干涉的方法來測量。激光打到一個分束鏡，分成兩束，沿著很長的距離傳播以后，在鏡子上分別反射，打回到分束鏡上。如果兩束的臂長一樣，這兩束打回來的光會在分束鏡上合成一束從入射口回去，另外一口是沒有光的。但是，如果有引力波，鏡子的位置改變，導(dǎo)致的位移就會導(dǎo)致兩束返回的光在分束鏡上的相位有所變化，導(dǎo)致在沒有光的口會產(chǎn)生信號光。把信號光檢測出來以后，就可以探測出引力波。這種方法的好處是可以使臂長變得很長，越長就越可以放大引力波導(dǎo)致的鏡子的運(yùn)動。光學(xué)方法本來就是有益于精密測量的方法。 90年代，美國國家科學(xué)基金會資助了世界上第一個大規(guī)模的引力波探測項(xiàng)目，所謂的LIGO。LIGO有兩個非常大的探測器，一個是Livingston，一個在Hanford。
干涉的靈敏度，對鏡子位置的測量達(dá)到10＾-18米。怎么形容呢？如果考慮頭發(fā)絲的細(xì)度是10＾-6米，降低1萬倍就變成氫原子是10＾-10米，再減少10萬倍，就是氫原子核，是10＾-15米。最后得出的結(jié)論，這個長度是氫原子核大小的1/1000，是非常靈敏的儀器。 既然可以測到這樣靈敏的位移變化，要保證沒有其他因素可以導(dǎo)致比這個大的干擾信號。一個必要條件是將光干涉系統(tǒng)放在非常高的真空里，防止氣體分子對激光傳播的影響導(dǎo)致虛假的信號。另外就是要把反射光的鏡子懸掛起來，把鏡子和地面的振動完全隔離開。這樣就可以形成靈敏度非常高的引力波探測裝置。
利用這個裝置，在2015年9月14號，我們用這兩個探測器分別發(fā)現(xiàn)了兩個時間為0.2秒的引力波事件。這個圖是將兩個信號以0.7毫秒的時延錯位以后，發(fā)現(xiàn)他們的波形也在很大程度上吻合。 從波形中分析出這個事件是由兩個黑洞碰撞而導(dǎo)致的。它們兩個的質(zhì)量是36倍和29倍的太陽質(zhì)量，最后形成的黑洞是62倍的太陽質(zhì)量。通過波振幅的大小可以推算出這個事件離地球的距離是13億光年。通過這個波形，也對廣義相對論的推論進(jìn)行了初步檢驗(yàn)。 這次觀測的數(shù)據(jù)是從去年9月份到今年1月份觀測數(shù)據(jù)的一部分，還有很大一部分是需要處理的，期待著有更多的雙黑洞碰撞事件。 在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上，單位宇宙體積中，單位時間碰撞事件發(fā)生的概率是一定的。把儀器的靈敏度提高，可以看到宇宙中更遠(yuǎn)位置上的雙黑洞，看到更大的體積中的所有的雙黑洞的碰撞。只要把靈敏度提高2倍，就可以把觀測體積提高到8倍。這樣雙黑洞事件出現(xiàn)的概率就會提高8倍。 以這次事件為基準(zhǔn)，假定3個月可以出現(xiàn)1次雙黑洞事件。當(dāng)儀器達(dá)到設(shè)計(jì)靈敏度的時候，靈敏度是現(xiàn)在的2.5倍左右，10天就可以看到1次雙黑洞。 科學(xué)家們也著手設(shè)計(jì)下一步的探測器，它有可能比第二代探測器的靈敏度強(qiáng)3-10倍。這種情況下，可以觀測到很多雙黑洞的碰撞事件。這樣就可以更精確地測量雙黑洞的信號，更精確地研究宇宙中黑洞的分布，是對物理和天文學(xué)研究的新方法。 除了LIGO以外，世界上還有其他的探測器，這對于協(xié)同觀測是很重要的。GEO是600米的探測器，VIRGO在一兩年以后將達(dá)到跟LIGO一樣的探測器。日本的KAGRA也是3公里的探測器，也會在三四年之內(nèi)達(dá)到一定的靈敏度，可以形成世界的觀測網(wǎng)絡(luò)。 最近印度政府也批準(zhǔn)了LIGO印度項(xiàng)目。在不遠(yuǎn)的將來，印度也將會有一個地面的引力波探測器。全球的網(wǎng)絡(luò)可以對信號進(jìn)行定位，而且會提高雙黑洞觀測的準(zhǔn)確度和清晰度。
除了雙黑洞的碰撞過程，地面引力波探測還可以探測各種各樣的天文事件，比如雙中子星的碰撞過程。中子星也是很致密的星體，在很大質(zhì)量的恒星燃燒盡以后形成的黑洞。比較大的星體演化的末態(tài)就是中子星。在LIGO看到雙中子星碰撞的過程，這對我們理解中子星的結(jié)構(gòu)探索伽馬射線暴的根源是有指導(dǎo)性的。另外，旋轉(zhuǎn)的單個中子星，如果它不完全是球形的話，也是會發(fā)出引力波的。 在LIGO還可以探索宇宙弦系統(tǒng)，是早期宇宙中有可能形成的拓?fù)淙毕荩?能量分布呈不均勻的脈動的弦狀結(jié)構(gòu)。最后也可能對宇宙大爆炸開始時產(chǎn)生的原初引力波背景進(jìn)行探索。
除了地面引力波探測，未來還會進(jìn)行多波段引力波天文學(xué)的研究，比如歐洲的愛因斯坦探測器是第三代的引力波探測器，可以在可以覆蓋1赫茲-10千赫茲?？臻g引力波探測可以探測到0.1毫茲-1赫茲之間的引力波，可以觀測到星系中心超大質(zhì)量黑洞碰撞的過程。這對于星系的形成演化是非常重要空間探測引力波是研究宇宙的另外一個重要方式。還有一種是用脈沖星定時的方式。脈沖星是一些中子星會發(fā)射出非常穩(wěn)定的電磁信號，如果到達(dá)地球的時候有微小的偏差有可能是因?yàn)橐Σ▽?dǎo)致的，它也可以探測超大質(zhì)量黑洞并合的過程。最后就是在微波背景上測量宇宙大爆炸時的引力波背景形成的遺跡。 今天的引力波探測只是一個起點(diǎn)。在未來，我們會有多波段的引力波探測，說明今天的引力波探測不但是廣義相對論和黑洞的直接驗(yàn)證，也可以說是新的天文學(xué)觀測手段。 如果回顧一下這次事件，是兩個距離地球13億光年的黑洞傳播到了地球，信號是10＾-18米，信號長度只有0.2秒。我自己是研究引力波方向的，看到這個引力波信號時也是感覺到非常不可思議的。 作者簡介
陳雁北加州理工學(xué)院物理學(xué)教授，美國物理學(xué)會會士。1999年畢業(yè)于北京大學(xué)物理系。2003年在Kip Thorne指導(dǎo)下從加州理工學(xué)院獲得博士學(xué)位。2004年到2008年在德國馬普引力物理研究所（愛因斯坦研究所）擔(dān)任科學(xué)工作者，獲德國洪堡基金會頒發(fā)的Sofja Kovalevskaya獎資助，組建并領(lǐng)導(dǎo)青年科研團(tuán)隊(duì)。2007年回加州理工學(xué)院任助理教授，2013年升任正教授。 未來論壇：由中國時下深具影響力的一批互聯(lián)網(wǎng)先行者、投資界成功者、科技業(yè)前沿者發(fā)起，并于2015年1月20日正式創(chuàng)立。未來論壇將網(wǎng)羅全球最新技術(shù)和有洞見的人， 進(jìn)行跨界、跨地域、跨年齡的交流與互動。它提供了一個入口，一個平臺，讓人們在基礎(chǔ)邏輯的普適認(rèn)知下，去獲得方向感，去感知影響力，去踏進(jìn)一片凈土，去得到思想的孵化。 “理解未來”系列講座，由未來論壇傾力打造，是面向社會大眾開放的高質(zhì)量月度科普講座?！袄斫馕磥怼毕盗兄v座邀請富有洞察力、創(chuàng)新性和前瞻性的知名科學(xué)家和創(chuàng)業(yè)者與大眾分享交流對未來的認(rèn)知，促進(jìn)社會大眾對未來的理解與思考。
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