解密引力波~谈了这么久的引力波你真的知道了

序言：多年以后，面对浩瀚星海，远航的星舰文明将会回想起2016年2月11日，人类公开宣布首次探测到引力波信号的擒歙常泺那个遥远夜晚。

作者简介：

陈雁北：加州理工学院物理学教授，美国物理学会会士。

曹军威：清华大学信息技术研究院研究员、清华大学天体物理中心兼职研究员，清华信息科学与技术国家实验室（筹）公共平台与技术部主任。

加州理工学院物理学教授、美国物理学会会士、LIGO科学合作组织核心成员及引力波论文作者之一陈雁北教授和清华大学信息技术研究院研究员、清华大学天体物理中心兼职研究员、LIGO科学合作组织核心成员及引力波论文作者之一曹军威教授演讲全文（略有删减），以飨读者

主讲：陈雁北

一：引力波的缘起

上面的这个网格就代表了一个弯曲的曲面。上面看起来是弯曲的线，如果在曲面上局部看，反而是最直的一条线。这样最直的线叫做测地线。如果让各种不同材质的物体都按测地线运动，就可以解释这些物体在引力作用下的曲线运动，并且可以解释等效原理。

爱因斯坦提出了爱因斯坦方程来描述这个现象，左边（上图公式）代表时空的几何结构，右边（上图公式）代表时空中的能量和动量的分布。

1916年，数学家发现了广义相对论的第一个解，后来的科学家发现这个解是一个黑洞。在数学上，黑洞是一个很简单的东西，它把时空分成两部分，黑洞所谓的视界是只能进入没办法逃出的曲面，是一个球。在外面只可以进入视界之内，从视界之内逃不出视界。

把光锥的概念用到黑洞的时空上，我们能看到的现象就是视界把时空分成两部分—黑洞的内部和黑洞的外部。在黑洞的内部，光锥的所有部分都是朝着黑洞中心走。在黑洞内部，你的未来完全在黑洞里面，不可能到达黑洞的外面。你在视界上，你的未来的边界在世界上，你还是不能逃出这个视界。在视界外面，当你距离黑洞越来越远的时候，你的未来区域里面就有更多的部分可以逃到无穷远处。从另外一个角度看，所谓的视界，就是黑洞外面能被远处观察者看到的时空区域的边界。

黑洞还有另外一个性质就是“时间停止”。当地球上的旅行者从地球出发到达黑洞附近，如果他到达的是黑洞附近非常非常近的距离，他再回到地球的时候就会发现地球人的时钟已经过了很长时间，而他自己的时钟只过了很短的时间，这是时间变慢的过程，在黑洞视界上的时间是完全停止的。

科幻作品中的黑洞让大家产生很多的想象。这个图是把黑洞放在星空的背景上，所有的星星发射的光线被黑洞弯折以后，我们看到非常奇怪的景象。

这些毕竟是数学上的计算，黑洞真的是存在的吗？

天文学家已经在银河系的不同部分，甚至在其他星系发现了黑洞。

在6000光年外的天鹅座X-1的物体，根据天文学家的观测，认为是一个含有黑洞的系统。天文学家推论出这个黑洞的质量是太阳的9倍。天文学上，这叫做恒星质量黑洞。

在天文学中有另外一种完全不一样的黑洞。天文学家通过推算在星系中间运动的星体的轨迹，在银河系中心也发现了一个黑洞。1995年-2008年期间，根据在银河系中心周围运动的星体的轨道，可以推算出中间有一个400万倍太阳质量的黑洞。天文学家发现，在很多星系的中心都有这样所谓的超大质量的黑洞。

黑洞是广义相对论的重要推论，天文学家用种种方法判定了有些很可能是黑洞的物体。

二：广义相对论的另一个推论——引力波

1916年，爱因斯坦在他的方程中发现了所谓的弱引力场下的解，这个解便描述了引力波。从类比的方法来看，引力波很相似于水面上的波动。当水面震荡的时候，它的震荡会以水波的形式传播出去。类似的，时空几何的振荡也会由引力波的形式传播。不同的是，在爱因斯坦方程中，引力波是按照光速传播的。

引力波也是很类似的现象，两个自由下落的物体，当引力波入射的时候，这两个物体之间的距离会产生变化。产生距离变化的比例是引力波的振幅h。也就是说，距离为 L的两个物体，在引力波入射时，他们的距离变化大约是Lh。只要在波长以内，他们的距离越远，引力波导致的距离变化就越来越大。

更详细地说：引力波是一个横波，它影响的是跟引力波传播方向垂直平面之内的距离。沿着引力波方向的距离是没有变化的。

垂直于引力波传播方向的平面上的物体，它们之间的距离会按一定规律变化。物理上说引力波有两个偏振，也就是两种不同的模式。这些物体本来是一个圆环上，当引力波入射到达垂直屏幕的时候，这些圆环上的物体在一种偏振下是按照这种模式振荡。在另外一种模式，是侧的45度的模式。

引力波的数学发现以后，大家就考虑，引力波的物理效果是否可以被观测到？通过爱因斯坦的计算，他认为引力波是非常难产生的现象。产生足够大的引力波需要非常大质量的或者是非常高能量的物体以非常快的速度运动。

在70年代，有人发明了另外一种测量引力波的方法，用激光干涉的方法来测量。激光打到一个分束镜，分成两束，沿着很长的距离传播以后，在镜子上分别反射，打回到分束镜上。如果两束的臂长一样，这两束打回来的光会在分束镜上合成一束从入射口回去，另外一口是没有光的。但是，如果有引力波，镜子的位置改变，导致的位移就会导致两束返回的光在分束镜上的相位有所变化，导致在没有光的口会产生信号光。把信号光检测出来以后，就可以探测出引力波。这种方法的好处是可以使臂长变得很长，越长就越可以放大引力波导致的镜子的运动。光学方法本来就是有益于精密测量的方法。

90年代，美国国家科学基金会资助了世界上第一个大规模的引力波探测项目，所谓的LIGO。

LIGO有两个非常大的探测器，一个是Livingston，一个在Hanford。

利用这个装置，在2015年9月14号，我们用这两个探测器分别发现了两个时间为0.2秒的引力波事件。这个图是将两个信号以0.7毫秒的时延错位以后，发现他们的波形也在很大程度上吻合。

从波形中分析出这个事件是由两个黑洞碰撞而导致的。它们两个的质量是36倍和29倍的太阳质量，最后形成的黑洞是62倍的太阳质量。通过波振幅的大小可以推算出这个事件离地球的距离是13亿光年。通过这个波形，也对广义相对论的推论进行了初步检验。

这次观测的数据是从去年9月份到今年1月份观测数据的一部分，还有很大一部分是需要处理的，期待着有更多的双黑洞碰撞事件。

在统计学意义上，单位宇宙体积中，单位时间碰撞事件发生的概率是一定的。把仪器的灵敏度提高，可以看到宇宙中更远位置上的双黑洞，看到更大的体积中的所有的双黑洞的碰撞。只要把灵敏度提高2倍，就可以把观测体积提高到8倍。这样双黑洞事件出现的概率就会提高8倍。

除了地面引力波探测，未来还会进行多波段引力波天文学的研究。比如欧洲的爱因斯坦探测器是第三代的引力波探测器，可以在可以覆盖1赫兹-10千赫兹。空间引力波探测可以探测到0.1毫兹-1赫兹之间的引力波，可以观测到星系中心超大质量黑洞碰撞的过程。这对于星系的形成演化是非常重要的。

今天的引力波探测只是一个起点。在未来，我们会有多波段的引力波探测，说明今天的引力波探测不但是广义相对论和黑洞的直接验证，也可以说是新的天文学观测手段。

主讲：曹军威

刚才陈教授把引力波的探测、原理、实验这些部分都给大家做了非常系统的介绍。我花几分钟的时间结合我们参与引力波探测工作的实际工作，简单介绍一下数据分析这部分。

在LIGO的合作组织中，我们清华大学只是其中一个成员，有几十个单位，几百个科学家参与，有一部分是做仪器的，更多科学家是做数据分析相关工作的。这次发现我们也是非常有幸参与到其中，可以说2016年2月11号，我们宣布了这样一个发现，我们也是非常自豪有这个机会来见证，包括跟在座的各位来见证这样一个事件。

多年以后，面对浩瀚星海，远航的星舰文明将会回想起2016年2月11日，人类公开宣布首次探测到引力波信号的那个遥远夜晚。

作者简介：

陈雁北：加州理工学院物理学教授，美国物理学会会士。

曹军威：清华大学信息技术研究院研究员、清华大学天体物理中心兼职研究员，清华信息科学与技术国家实验室（筹）公共平台与技术部主任。

加州理工学院物理学教授、美国物理学会会士、LIGO科学合作组织核心成员及引力波论文作者之一陈雁北教授和清华大学信息技术研究院研究员、清华大学天体物理中心兼职研究员、LIGO科学合作组织核心成员及引力波论文作者之一曹军威教授演讲全文（略有删减），以飨读者。本文亦有删减。著作权原作者享有，在此只为分享给更多大众…。——未来论坛

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