按：本文由知社學(xué)術(shù)圈陳雁北、范錫龍教授撰文分享。

寫在前面

100年前，當(dāng)愛因斯坦預(yù)測引力波的存在的時候，他不曾想過，有朝一日，人類能夠真正觀測到引力波：這個效應(yīng)是如此的微弱，無法察覺......

今天，2016年2月11日，北京時間23:30分，加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院、LIGO科學(xué)聯(lián)盟、以及美國國家科學(xué)基金會，向全世界宣布: 我們真的探測到引力波!

相關(guān)論文，以O(shè)bservation of Gravitaiton Waves from a Binary Black Hole Merger為題，在Physical Review Letters上發(fā)表。論文作者包括清華大學(xué)LSC引力波研究團(tuán)隊。

知社學(xué)術(shù)圈特邀請論文作者之一、LIGO科學(xué)聯(lián)盟核心成員、加州理工學(xué)院陳雁北教授，和中國引力波專家、湖北第二師范學(xué)院范錫龍博士，撰文介紹引力波探測漫長曲折而又激動人心的經(jīng)歷，和一些鮮為人知的花絮， 從300年前的引力，100年前相對論，一直講到今天的引力波。

文末有知社學(xué)術(shù)圈對陳雁北、范錫龍教授獨家采訪。

以下是正文：

1915年，愛因斯坦發(fā)表廣義相對論論文，革新了自牛頓以來的引力觀和時空觀，創(chuàng)造性地論證了引力的本質(zhì)是時空幾何在物質(zhì)影響下的彎曲。1916年，愛因斯坦在廣義相對論的框架內(nèi)，又發(fā)表論文論證了引力的作用以波動的形式傳播。

因為引力波的效果極其微弱，100年前的愛因斯坦認(rèn)為引力波在任何能想象的情況下都可以忽略。50年以前，實驗物理學(xué)家Joe Weber勇敢的開拓了引力波探測的先河。40年前，天文學(xué)家Hulse和Taylor發(fā)現(xiàn)了脈沖雙星、間接證實了引力波的存在。25年前，物理學(xué)家Drever, Thorne和Weiss在美國國家科學(xué)基金的資助下開始建造激光干涉引力波天文臺 (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，LIGO)。 今天，美國的LIGO和歐洲的VIRGO引力波探測器聯(lián)合發(fā)布消息，宣布已經(jīng)探測到距離地球約13億光年的兩個大約30太陽質(zhì)量的黑洞碰撞所發(fā)出的引力波。

在這個讓物理學(xué)家50年來望眼欲穿的、持續(xù)時間不到一秒鐘的事件(GW150914)中，4對在真空中相距4公里的40千克的玻璃鏡子的距離，以原子核尺寸千分之一大小的振幅振動了十幾次。這樣微乎其微的振動，被打在這些鏡子上的100千瓦的激光讀出，讓人類第一次“近距離的接觸”了黑洞。黑洞不再是科幻作品中的神奇物體，不再躲在高溫磁化的等離子體后面，也不再穩(wěn)穩(wěn)的坐在星系中央。這次，我們實實在在的觀察到了黑洞附近時間和空間的高度扭曲和脈動。引力波探測的成功，為人類觀察宇宙提供了一個嶄新的窗口。

｜引力

引力是無處不在的 。 它主導(dǎo)了天，讓宇宙、星系、恒星、行星有序地形成和演化；它主導(dǎo)了地，讓我們生活的地球分成了各個圈層，讓蘋果落地，讓人類羨慕鳥類飛翔，讓日出日落，山川秀麗。可是，引力雖然無處不在，它卻低調(diào)而又卓爾不群，以至于我們經(jīng)常會忽略它： 我們生活中的五顏六色、酸甜苦辣，都是由電磁相互作用所產(chǎn)生的。而到目前為止，在微觀上，引力還是和其他基本相互作用不能融合！

引力是人類最早定量認(rèn)識的相互作用，讓人類從無知走向科學(xué)。在17世紀(jì)，伽里略的斜塔實驗就通過運動學(xué)證明了引力對眾生平等，也就是等效原理 -- 不同材質(zhì)的物體下落加速度一致。1687年，牛頓創(chuàng)建了萬有引力定律，并且發(fā)明微積分的數(shù)學(xué)方法對行星的運動進(jìn)行精確的描述。后人用牛頓的理論發(fā)現(xiàn)了海王星和冥王星。雖然水星近日點的進(jìn)動一直和牛頓預(yù)言鬧一點非常微小的矛盾，但是貌似引力的終極理論就此完成。

在牛頓發(fā)現(xiàn)引力之后的幾百年，物理學(xué)的進(jìn)展更多的是在對電和磁的研究，1865年麥克斯韋最終建立了電場和磁場的大一統(tǒng)理論。到了1905年，愛因斯坦提出了狹義相對論，極具洞察力地論證了電磁場的統(tǒng)一性暗含了時間和空間的統(tǒng)一性：物理理論必須把時間和空間放在一起考慮，而時間和空間本身，失去了絕對意義。一個新的概念，“時空”，就這么誕生了。

｜廣義相對論

盡管牛頓的萬有引力定律有著幾乎完美的實驗驗證，但是觀念上是把時間和空間分開考慮的，并且牛頓引力是瞬時傳播的。因此，牛頓引力和狹義相對論理論在概念上是矛盾的。提出了狹義相對論之后，愛因斯坦進(jìn)一步研究引力和“時空幾何”的關(guān)系，重新思考伽里略所觀察到的物體下落加速度一致這個現(xiàn)象，意識到引力是一個非常特殊的相互作用。如果我們進(jìn)入一個自由下落的參照系，那么引力會消失！這就是為什么在地球附近的宇航員會感覺到失重：不是因為他們離地球太遠(yuǎn)，而是因為他們在自由下落！

如果我們進(jìn)入自由下落的參照系，引力好像沒有了，是不是意味著引力只是參照系變換的產(chǎn)物，而不是真實的物理存在呢？不是的，因為宏觀上不同位置上自由下落的參照系是不同的！如果我們考慮一個足夠大的空間站，就會發(fā)現(xiàn)空間站不同位置上的物體會有相對加速的現(xiàn)象，這就是所謂的潮汐加速度。而這個加速度，是對所有物體都適用的。愛因斯坦把這個歸結(jié)于時空幾何的彎曲。

廣義相對論中的時空幾何，就是會讓本來速度彼此平行的自由下落物體彼此接近或者遠(yuǎn)離。像牛頓引力中的蘋果落地一樣，廣義相對論中的彎曲幾何也可以用蘋果解釋。在蘋果的表面，如果畫一些起初平行的曲線，并且以同樣的初速度從這些平行曲線出發(fā)。那么根據(jù)這些平行曲線的位置和走向不同，它們有的會彼此靠近（正曲率），有的會彼此遠(yuǎn)離（負(fù)曲率）。

愛因斯坦聯(lián)系時空幾何和物質(zhì)分布的方程，可以寫成一個非常簡潔的張量形式：

這就是非常優(yōu)美的愛因斯坦方程。在解釋為什么廣義相對論可以解決引力瞬時傳播之前，咱們先看一下其艱深而又奇妙的一面。

愛因斯坦方程的求解

廣義相對論的方程形式美的令人陶醉，但是數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)比蘋果表面的幾何復(fù)雜很多。 在相當(dāng)一段時間里，數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家只能遠(yuǎn)觀而不能與之親密接觸，只得到了愛因斯坦方程在少數(shù)情況下的解，而并不理解這些方程的意義。直到20世紀(jì)70年代初，數(shù)學(xué)物理學(xué)家才證明了愛因斯坦方程在原則上可以系統(tǒng)的用初始條件加時間演化的方法求解。在1979年，丘成桐先生和他的學(xué)生Richard Schoen用幾何分析的方法證明了《正質(zhì)量定理》，給廣義相對論中質(zhì)量的概念奠定了數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)。真正女神的魅力是持久的，愛因斯坦方程解的全局性質(zhì)、以及物理學(xué)家所用的數(shù)值解法的收斂性問題，至今也還是數(shù)學(xué)研究的前沿問題。

黑洞

自從愛因斯坦建立他的引力方程以來，科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些解析解，球?qū)ΨQ下的Schwarzschild解和軸對稱下的Kerr解。這些解所對應(yīng)的時空中沒有任何質(zhì)量，貌似是純時空幾何的彎曲。

后來，在Oppenheimer和Wheeler 等人的研究下，人們逐漸意識到，這是大質(zhì)量星體燒盡核燃料以后，通過“塌縮”所達(dá)到的一個狀態(tài)。Wheeler把這些時空結(jié)構(gòu)命名為“黑洞”。

在數(shù)學(xué)上，黑洞的時空有很多奇妙的結(jié)構(gòu)。比如，黑洞有一個叫做“視界”的結(jié)構(gòu)。在“時空圖”上，視界把時空分成兩部分，一部分是可以和遠(yuǎn)處聯(lián)系的，而另一部分，是無法和遠(yuǎn)處聯(lián)系的。當(dāng)星體塌縮成黑洞時，坐在星體表面的觀測者會穿過黑洞的視界，而站在外面的觀測者，則不會看到星體表面的觀測者穿過視界，只是看到他的運動越來越慢，像是被“凍結(jié)”在視界表面。

再比如，在視界外面不遠(yuǎn)，有一個“光球”。光在引力的作用下，可以在光球上繞著黑洞運轉(zhuǎn)，既不逃逸到無窮遠(yuǎn)，也不落入黑洞。

在70年代，科學(xué)家又從數(shù)學(xué)上推斷出黑洞的一些其他性質(zhì)。一方面，數(shù)學(xué)家證明了一系列的“黑洞唯一性”定理，顯示具有“視界”并且沒有物質(zhì)的時空只能是有限的幾個黑洞的時空結(jié)構(gòu)。另一方面，《黑洞微繞論》的創(chuàng)立讓物理學(xué)家從直觀上論證了在星體塌縮成黑洞的過程中，黑洞的幾何結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的過程。當(dāng)霍金等物理學(xué)家把量子力學(xué)用在黑洞上時，驚奇地發(fā)現(xiàn)，黑洞也會通過所謂的”霍金輻射”蒸發(fā)。

｜天文學(xué)中的黑洞

黑洞在數(shù)學(xué)上奇妙的性質(zhì)，引起了人們的無限遐想，也成為科幻作品的重要題材?？墒?，它是不是真實的物理存在呢？科學(xué)上要證明一個物體的存在，至少要觀測到它對別的物體的效應(yīng)。

閉門造黑洞是不行的，要抬頭看天！

天文觀測中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一些疑似黑洞的物體。由于對愛因斯坦理論的信任和青睞，天文學(xué)家們一致認(rèn)為這些物體就是黑洞。

第一類物體的質(zhì)量是太陽的幾倍到幾十倍，它們存在于X-射線雙星里，并且尺寸小于幾十公里。按照廣義相對論的計算，這樣的物體必須是黑洞。這些物體發(fā)出的X-射線是由黑洞的伴星放出的氣體在往黑洞下落的時候相互擠壓、摩擦、加熱發(fā)出的。

第二類物體是存在于星系中心的超大質(zhì)量黑洞，具有可以超過幾十、幾百萬倍的太陽質(zhì)量，并且也有很小的尺寸，讓大家推測這些也必然是黑洞。比如，在銀河系的中心，就有一個四百萬太陽質(zhì)量的黑洞。在另外一些星系中，有氣體不斷掉入黑洞，在黑洞附近形成一個繞著黑洞旋轉(zhuǎn)的“吸積盤”，并且在黑洞的旋轉(zhuǎn)軸附近發(fā)出“噴流”。這樣的一個系統(tǒng)叫做活動星系核，它會發(fā)射的強(qiáng)烈電磁輻射，是天文觀測的一個重要目標(biāo)。

還有一類物體是中等質(zhì)量的黑洞。它們可能產(chǎn)生于小質(zhì)量黑洞并合，或者小黑洞吃掉很多恒星，或者是通過宇宙早期的大質(zhì)量恒星塌縮而形成。在某些低光度的活動星系核，超亮X-射線源和球狀星團(tuán)中有一些它們的蹤跡。

這些天文學(xué)中的觀測現(xiàn)象從一個側(cè)面證明了黑洞的存在，但是目前還沒法很精確的測定黑洞附近的幾何結(jié)構(gòu)。這些黑洞也都是隨時間不變的穩(wěn)定黑洞，它們周圍的時空結(jié)構(gòu)，在我們觀測的這段時間內(nèi)是不變的。

｜引力波

愛因斯坦在1916年就預(yù)言了引力波的存在: 他發(fā)現(xiàn)自己的方程有一組解，和電磁波的性質(zhì)類似，以光速傳播。但是他在文章里又說（下圖中最后一句），因為這個引力波輻射的能量很少，在所有能想得到的情況下，引力波的輻射都可以被忽略。

（Albert Einstein, N?herungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation, Sitzungsberichte der K?niglich Preu?ischen Akademie der Wissenschaften (Berlin), 1916.）

在很長一段時間內(nèi)，物理學(xué)家搞不清這個解的物理意義，更沒想到這個波可以有什么觀測上的價值。在1960年左右，引力波的物理意義開始明朗，物理學(xué)家認(rèn)為，引力波可以被看成是引力相互作用的傳播，并且可以被看成是攜帶著引力能。這就說明，引力相互作用是以光速傳播的。

想了解引力波所對應(yīng)的時空幾何，需要把剛才光滑的蘋果變成粗糙的橘子：橘子表面有兩種彎曲的幾何結(jié)構(gòu)。大尺度的時空幾何（橘子的半徑）代表了宇宙空間中的引力，而小尺度的幾何（粗糙的點點）代表了引力波。

在一個自由下落的物體參照系中，引力波可以看成是一個“潮汐引力場”。也就是說，距離這個物體越遠(yuǎn)的物體，它感受到的引力場越大。在自由物體之間，潮汐引力場會引起他們相對位移按比例的變化（也就是“應(yīng)變”）。引力波的振幅h，通常就用這個應(yīng)變來代表。

如果不是自由下落的分開的物體，而是一個整個的彈性體，那么引力場的效果還要看這個彈性體本身對外力的響應(yīng)。

｜引力波探測的歷史

愛因斯坦說了，引力波很微弱，那么到底有多么微弱呢？我們下面舉一個例子說明。就算是人類歷史上最大的氫彈爆炸，我們可以粗略的估算一下離爆炸處一米之內(nèi)的引力波振幅h，也就是它引起的自由下落物體之間的應(yīng)變。這個應(yīng)變，只有10^-27左右的量級。

雖然引力波這么微弱，但還是沒有嚇倒勇敢的實驗物理學(xué)家Joe Weber。他深信，雖然地球上產(chǎn)生的引力波很微弱，宇宙空間中也許有天文現(xiàn)象可以導(dǎo)致足夠強(qiáng)的引力波。20世紀(jì)60年代末期，Weber開始用共振法測量引力波。具體就是用一個很大的金屬物體，利用引力波在物體的諧振頻率上引起共振的特點，希望從這個物體的振動中提取引力波的信號。Weber發(fā)表了一些實驗結(jié)果，認(rèn)為已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了引力波。但是很可惜，他的實驗沒有人可以重復(fù)，而理論上也很難論證究竟是什么樣的過程發(fā)出了這么強(qiáng)烈的引力波信號。但是，Weber的工作激勵了一批科學(xué)家投身引力波事業(yè)。從20世紀(jì)70年代起，一批理論和實驗物理學(xué)家加入了引力波理論研究和實驗探測的行列。

MIT的實驗物理學(xué)家Weiss注意到，引力波對物體之間距離的變化，和物體之間本來的距離成正比。這樣的話，如果把物體之間的距離拉的很遠(yuǎn)，并且把它們做成鏡子，然后用激光測距的方法測量鏡子之間的距離，就可以成倍的提高對引力波測量的精度。

在這個同時，英國Glasgow大學(xué)的Drever和休斯飛機(jī)公司的Forward也開始了激光干涉的引力波測量實驗。

1975年，就在引力波實驗逐漸發(fā)展的時候， 天文學(xué)家Hulse和Taylor發(fā)現(xiàn)了一對脈沖雙星。1982年，Taylor和 Weisberg通過其軌道頻率的演化，推斷出了這個雙星正在丟失能量，而這個能量丟失率和引力波導(dǎo)致的是一致。這給引力波的存在提供了一個強(qiáng)有力的間接證據(jù)：引力波終于從紙上走了出來！Hulse和Taylor在1993年因此獲得諾貝爾獎，脈沖雙星也成為研究廣義相對論和中子星的一個重要系統(tǒng)。

Kip Thorne

要提LIGO的歷史，得提一下《星際穿越》中的“非著名電影演員” Kip Thorne。他是命名黑洞的物理學(xué)家John Wheeler的學(xué)生，算起來也是Richard Feynman的師弟 。Thorne早年在Princeton做研究生的時候，和Wheeler一起研究了引力塌縮的過程，在黑洞作為星體演化末態(tài)的學(xué)說上做出了重要的貢獻(xiàn)。從此， Thorne跟黑洞結(jié)下了不解之緣。不要驚訝，“引力圣經(jīng)MTW”中的T和W就是Kip Thorne和John Wheeler。自從Weber“發(fā)現(xiàn)”引力波以后， Thorne就致力于黑洞和引力波這個新型輻射的研究。

2009年， Thorne從Caltech退休。他通過舊情人Lynda Obst認(rèn)識了斯皮爾伯格和諾蘭，并且參與了以黑洞為主題的電影《星際穿越》的編劇和攝制，從此進(jìn)軍好萊塢。每次有人托他辦事，他如果想推脫，就會說現(xiàn)在開始了新的電影生涯，忙不過來。不過，這次華盛頓DC的記者會，他也還是重新出山了，風(fēng)采絕對不亞于其在好萊塢的光芒！

在20世紀(jì)70年代末， Thorne說服了Caltech支持引力波研究，Drever在Caltech建立了引力波探測實驗室。1979年美國國家科學(xué)基金會開始資助Drever和Thorne在Caltech，以及Weiss在MIT的激光干涉引力波測量預(yù)研究。

LIGO的引力波源和理論研究

最初，學(xué)術(shù)界普遍對探測引力波的可能性持懷疑態(tài)度。在早期，人們對引力波源的認(rèn)識非常不足，一度認(rèn)為超新星爆發(fā)是引力波探測的主要波源。后來，大家通過對超新星爆發(fā)的詳細(xì)計算，推斷出其所發(fā)出的引力波遠(yuǎn)沒有以前想象的那么大。

90年代初，Thorne和他的合作者認(rèn)識到，雙黑洞和雙中子星的碰撞所發(fā)出的引力波可以有足夠的振幅被探測到。他開始系統(tǒng)的推進(jìn)和開展引力波源的天體物理、相對論動力學(xué)研究和數(shù)據(jù)分析方法的研究。雖然多數(shù)人認(rèn)為雙中子星是最靠譜的波源，Thorne一直認(rèn)為雙黑洞因為質(zhì)量比較大， LIGO可以看到比較遠(yuǎn)的距離，所以相應(yīng)的體積中就會有更多的可能性。因此，雖然雙黑洞的形成過程不太明確，但是還是有可能是最先被探測到的。想要研究雙黑洞的引力波，必須先計算出廣義相對論對雙黑洞碰撞的預(yù)言。物理學(xué)家通過“數(shù)值相對論”的方法，用大型計算機(jī)對愛因斯坦方程進(jìn)行求解。

｜LIGO計劃的實施

在90年代初，由Drever, Thorne和Weiss領(lǐng)導(dǎo)的LIGO項目得到了美國National Science Foundation的資助，在美國的華盛頓州和路易斯安那州分別建造一個臂長四公里的干涉儀。在最早的LIGO計劃書中，雙黑洞和雙中子星的碰撞過程是主要的目標(biāo)。他們就提到了一個三步計劃：第一步的initial LIGO在設(shè)計靈敏度下可以看到5億光年以外的雙黑洞碰撞，第二步的Advacned LIGO在設(shè)計靈敏度下可以看到70億光年以外的雙黑洞碰撞。 這多出的14倍的距離，相當(dāng)于多覆蓋了宇宙中將近三千倍的體積。今天的Advanced LIGO，尚未達(dá)到設(shè)計靈敏度，就已經(jīng)看到了14億光年以外的雙黑洞碰撞。

那么，到底多少億光年的覆蓋距離才夠呢？天文觀測具有一定的隨機(jī)性，但是隨機(jī)過程也是可以從統(tǒng)計上進(jìn)行把握的。為了不重蹈Joe Weber的覆轍，LIGO科學(xué)家們事先要推算出一定體積內(nèi)黑洞、中子星碰撞的發(fā)生率。推測發(fā)生率，要根據(jù)天文學(xué)家對宇宙中星系的分布、星系中雙星的形成、演化等一系列信息進(jìn)行綜合考慮。在沒有引力波探測作為依據(jù)的情況下，對這些發(fā)生率推斷是有很大誤差的。根據(jù)當(dāng)時最好的估計，initial LIGO應(yīng)該只有很少的希望可以看到雙黑洞的碰撞，而幾乎沒有希望看到雙中子星的碰撞。Advanced LIGO很可能可以很容易的看到雙黑洞的碰撞，而應(yīng)該可以保證至少探測到幾個雙中子星的碰撞。從這個角度來看，今天的成功，雖然是幸運，也并不是意料之外的事情。并且，既然我們已經(jīng)在這個靈敏度下探測到了一個事件，這就意味著如果我們按照這個靈敏度繼續(xù)探測，勢必會有更多的事件被探測到。

LIGO的靈敏度和運行

LIGO探測器在1999年最初建成，然后花了5年時間，在2005年到達(dá)了設(shè)計靈敏度，可以測量在60Hz以上，10kHz以下的引力波，位移變靈敏度達(dá)到10^-21。這是什么概念呢？這樣的應(yīng)變，如果是用到從地球到太陽之間的距離，導(dǎo)致的距離變化不超過頭發(fā)絲的十萬分之一。換算到千米量級的臂長，它對檢驗質(zhì)量位移的靈敏度可以達(dá)到10-18米，是原子核大小的1/1000！

LIGO為什么可以達(dá)到比原子核大小還要小的靈敏度呢？

從光學(xué)定位的角度考慮，這是因為LIGO用了很強(qiáng)的激光，并且使用了光學(xué)諧振放大的方法。每一個光子，可以對位置進(jìn)行一個光波長左右的測量。而光子在諧振腔中反復(fù)傳播100次，就可以測量光波長百分之一的距離變化，也就是10^-8米。如果用多個光子，靈敏度會按光子個數(shù)的平方根增加。于是，10^20個光子，就可以達(dá)到10^-18米的靈敏度了。

而從原子尺度考慮，則是因為LIGO的光束打在了很多個原子上，這個平均的效應(yīng)讓我們可以測量到比單個原子尺寸更小的位移。在2003到2009年這段時間，LIGO-1采集了一些數(shù)據(jù)，并且作出了分析。但是在這個數(shù)據(jù)里面并沒有發(fā)現(xiàn)引力波。從2009到2015年，LIGO進(jìn)行了歷時6年的升級，從LIGO-1升級到LIGO-2，也就是Advanced LIGO。

世界各國的大型引力波探測器

在美國的LIGO計劃開始之后，歐洲也開始進(jìn)行引力波探測計劃。目前，比較大型的探測器是由英國和德國合作，在德國Hannover附近建造的GEO 600探測器，以及由法國和意大利合作，在意大利Pisa附近的VIRGO探測器。GEO 600探測器的壁長是600米，而VIRGO的臂長是3000米。相比之下,VIRGO的造價和性能都遠(yuǎn)高于GEO 600，而和LIGO相當(dāng)。

大家也許會問，為什么經(jīng)濟(jì)實力更強(qiáng)的英、德兩國在引力波探測器的規(guī)模上竟然會比不過法意兩國呢？據(jù)說，本來前西德也要建造一個4公里臂長的探測器。但是由于東西德合并，西德支持東德，這個經(jīng)費就被砍掉了，只好建造一個600米的探測器。

最近，日本也開始建造大型的KaGRA引力波探測器。早年，在日本有一個TAMA300探測器，位于東京附近的三鷹市，在日本的國家天文臺院內(nèi)，臂長300米。日本科學(xué)家多年來一直致力于推動大型引力波探測，這個KaGRA項目終于在2008年立項。目前，這個探測器的建設(shè)已經(jīng)基本完成，進(jìn)入了調(diào)試階段。

前些年，印度也開始加入了引力波探測的行列。LIGO實驗室和印度引力波物理學(xué)界已經(jīng)達(dá)成協(xié)議，計劃把LIGO的一部分實驗設(shè)備運往印度，并在印度開設(shè)一個LIGO-India的引力波觀測站。

｜GW150914

正可謂“謀事在人，成事在天”?；仡櫼幌?50914，它的發(fā)現(xiàn)是和人類歷史上許多偉大發(fā)現(xiàn)一樣，是一個偶然。

發(fā)現(xiàn)

在LIGO的正式運行中，都會做一個Blind Injection的操作：就是讓幾個合作者在數(shù)據(jù)里面偷偷的加上一些模擬的引力波信號，并且把這些信號的參數(shù)保密。這樣，其他處理數(shù)據(jù)的人就算是有所發(fā)現(xiàn)，也沒法知道真假。直到最后一刻，主持人打開信封，宣布偷偷加上的信號的參數(shù)，大家才恍然大悟。Blind Injection不但會提高士氣，也會杜絕泄密。這個方法在LIGO-1的運行中頗有成效。

在2015年9月份，LIGO開始了一次工程試運行（Engineering Run）。因為只是調(diào)試運行，盲注的機(jī)制都沒有組織好，所以根本就沒有盲注。沒想到，有些事情不能隨便試的，沒開始幾天就發(fā)現(xiàn)了一個置信度超高的引力波信號。這個信號大到什么程度呢？就是只做一些簡單的濾波后就可以用肉眼在數(shù)據(jù)的波形中發(fā)現(xiàn)了。自己看數(shù)據(jù)吧：

碰撞的過程

除去再次驗證了愛因斯坦的神奇之處, 從這個探測到的引力波事件，我們可以學(xué)到什么呢？

從波的頻率演化看，在低頻的部分開始。

第一階段。兩個黑洞的引力波頻率從30Hz開始。這在引力波天文學(xué)中是比較低的頻段，但是這就意味著黑洞是15Hz軌道頻率。再具體點就是，這兩個黑洞分別為36和30太陽質(zhì)量，每個半徑大約是一百公里左右，距離是一千公里，每秒鐘互相轉(zhuǎn)15圈。

第二階段。到兩個黑洞快并合的時候，引力波頻率達(dá)到100Hz，軌道頻率50Hz，就是每秒鐘轉(zhuǎn)50圈。這個時候兩個黑洞已經(jīng)快形成一體了，它們每個人“中心”之間的距離大概是兩百公里左右。

第三階段。然后，這個合并成一體的扭曲的黑洞繼續(xù)震蕩，逐漸變成一個新的、旋轉(zhuǎn)的黑洞（科爾黑洞）。這個黑洞的質(zhì)量是63個太陽質(zhì)量，它的半徑大約是160公里。在這個震蕩的過程中，這個黑洞主要示發(fā)射頻率在240Hz左右的引力波，說明它在以120Hz左右旋轉(zhuǎn)，也就是每秒鐘120圈。這個過程也可以看做是引力波在黑洞的“光球”周圍繞轉(zhuǎn)，并且逐漸逃逸到遠(yuǎn)處。

為什么最終的質(zhì)量小于兩個并合黑洞之和呢？我們不是說過引力波攜帶能量嗎？有一部分的質(zhì)量以引力波的形式被釋放了。這些引力波攜帶的能量等于3個太陽質(zhì)量，相當(dāng)于百分之五的“質(zhì)量”轉(zhuǎn)化成了“能量。順便說一句，號稱宇宙中最亮的天體伽馬射線暴一般釋放幾千分之一太陽質(zhì)量所相當(dāng)?shù)哪芰俊＿@次引力波功率峰值達(dá)到整個可見宇宙發(fā)光功率的50倍。

黑洞離地球的距離，是從引力波的絕對振幅所推斷的。根據(jù)這個推斷，我們得知碰撞過程發(fā)生在14億光年以外。對應(yīng)到標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)中的“紅移”，這個事件所在的紅移是0.09。在這個事件發(fā)生的時候，咱們的宇宙的“尺寸”是現(xiàn)在的91%。

意義

上面的三個過程，讓我們第一次“親眼看到”了黑洞的存在。由于引力波可以看成是直接推動了鏡子的機(jī)械振動，我們也可以說是親耳聽到了黑洞的存在！

為什么我們知道是兩個黑洞變成一個黑洞呢？下面我們給一個粗略的解釋。單個物體的質(zhì)量，可以從是通過波形的振幅和頻率隨時間演化所測定的。而上面第一、二個階段的轉(zhuǎn)換，可以讓我們推測出每個物體的尺寸，從而斷定它們都是黑洞。第三個階段，波形的頻率和衰減率可以讓我們推斷出最后形成黑洞的“光球”的存在和光球附近的幾何結(jié)構(gòu)。

LIGO科學(xué)家還從這個引力波的波形， 對相對論的預(yù)言做了一定的檢驗，并且在統(tǒng)計誤差范圍之內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)和相對論的區(qū)別。粗略的說，就是在波形的不同時間、不同頻段，和相對論預(yù)言的吻合程度相對一致，沒有發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的差別。

其中一個比較有特色的檢驗就是關(guān)于引力波的傳播速度的檢驗。沒有其他方法比較，怎么能說明引力波是以光速傳播呢？簡單的答案就是，對于這個事件，由于沒有其他方法比較，只能間接的對引力波的傳播做一個檢驗。由于在不同頻段波形和廣義相對論的預(yù)言吻合，我們可以推斷，引力波在不同頻率上的傳播速度一致。不同頻率上傳播速度一致的波，根據(jù)“狹義相對論協(xié)變性”的要求，一般來說應(yīng)該是以光速傳播的。于是，從這個意義上講，這次也算是部分、間接的驗證了引力波以光速傳播這個性質(zhì)。

｜ 引力波天文學(xué)

直接探測到雙黑洞的碰撞，只是引力波天文學(xué)的開端。就算你猜中開頭，也絕猜不到結(jié)尾！因為沒有結(jié)尾！

對于雙黑洞引力波的研究，GW150914只是一個開端。更多的雙黑洞事件，會讓我們更詳細(xì)的了解黑洞附近的時空幾何，以及黑洞碰撞時候時空的幾何動力學(xué)性質(zhì)。下一步使用LIGO，我們還期待著雙中子星、黑洞中子星碰撞的發(fā)現(xiàn)。這些，還會讓我們了解中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。更進(jìn)一步的，LIGO還希望可以探測到從單個中子星發(fā)出的連續(xù)引力波輻射，甚至是背景引力波輻射。LIGO打開了一扇探索宇宙的新窗口，更令人興奮的是一些未知源的引力波爆也可能被探測到。

大部分引力波源發(fā)射引力波的時候也發(fā)射傳統(tǒng)天文學(xué)的“信使”：電磁波，中微子和宇宙線。 結(jié)合傳統(tǒng)天文學(xué)的信使，引力波－多信使對應(yīng)體－宿主星系這一體系的進(jìn)一步聯(lián)合觀測將不但有利于提高引力波的定位和參數(shù)估計精度，還能提供對于引力波多信使對應(yīng)體本質(zhì)的更多理解。

在Advanced LIGO之后，我們希望能提高地面引力波探測器的精度，從而探測到更多的雙黑洞，雙中子星，中子星－黑洞雙星等事件；這將提供關(guān)于詳細(xì)的黑洞形成和演化的更確切數(shù)據(jù)，更可以使我們直接推斷中子星狀態(tài)方程，暗能量狀態(tài)方程等等物理學(xué)、天文學(xué)、宇宙學(xué)更為有趣的問題。增加更多的事件、并且探測到更高信噪比的信號，也有利于精確的研究黑洞的性質(zhì)，與廣義相對論做更詳細(xì)的比對。

更進(jìn)一步，我們要在空間建立引力波探測器。在空間，物體之間的距離更長，而且沒有地面上振動的擾動，讓我們可以觀察低頻率的引力波，可以探索超大質(zhì)量黑洞繞轉(zhuǎn)和小黑洞圍繞大黑洞旋轉(zhuǎn)等有趣的現(xiàn)象，從而了解星系形成的過程和進(jìn)一步了解黑洞周圍的時空結(jié)構(gòu)。

以下是知社學(xué)術(shù)圈對陳、范兩位老師獨家采訪

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。2003年在Kip Thorne指導(dǎo)下從加州理工學(xué)院獲得博士學(xué)位。2007年回加州理工任助理教授，2013年升任正教授。

范錫龍，湖北第二師范學(xué)院物理學(xué)副教授，中國引力與相對論天體物理學(xué)會會員。2006年-2007年訪問德國馬普所引力物理研究所1年，跟隨陳雁北、溫琳清等人學(xué)習(xí)。2008年在朱宗宏教授指導(dǎo)下獲得北京師范大學(xué)碩士學(xué)位。2012年獲得意大利里雅思特大學(xué)博士。曾獲得英國皇家學(xué)會“ Newton International Fellowships ”和中國國家自然科學(xué)基金資助。

陳雁北（右）和范錫龍（左）在加州理工辦公室

知社： 能不能介紹一下您在LIGO科學(xué)聯(lián)盟中的工作，以及對引力波探測的貢獻(xiàn)？

陳雁北：我在1999年進(jìn)入Caltech的時候，本來沒有太多的目的性。但是聽了Kip Thorne講課，覺得他這個教授比較有意思：不但興趣廣泛，而且往往能把很復(fù)雜的問題用很簡單的方法搞定。我那時候覺得我自己數(shù)理基礎(chǔ)不是特別好，不敢搞特別抽象的高能物理理論，手又笨搞不了實驗，于是就決定追隨Kip Thorne。

從1980年開始，Kip Thorne和他的學(xué)生Carlton Caves，以及合作者，莫斯科大學(xué)的Vladimir Braginsky和Farid Khalili在對LIGO靈敏度的研究中，涉及到了對單個量子物體連續(xù)測量的理論，我剛?cè)雽W(xué)的時候?qū)@個問題特別感興趣。

我一開始是和一個博士后，Alessandra Buonanno，一起做一些量子光學(xué)的計算?，F(xiàn)在Alessandra是德國馬普引力物理研究所的Director之一，在這次引力波事件的分析中起到了決定性的領(lǐng)導(dǎo)作用。后來這些就可以用來計算Advanced LIGO這個光學(xué)結(jié)構(gòu)下光的量子漲落所導(dǎo)致的噪聲。其實我們的公式到現(xiàn)在還沒有用上，因為Advanced LIGO還沒有用到足夠的激光光強(qiáng)。我后來就一直繼續(xù)對量子噪聲的計算，和下一代LIGO的光學(xué)設(shè)計的研究。我在博士期間第二個工作，也是和Alessandra以及另外兩個研究生Michele Vallisneri、潘奕一起，研究在第一代LIGO中怎么最優(yōu)的提取出雙黑洞的信號。在那個時候，數(shù)值相對論的模擬還不成熟，所以我們都是考慮怎么把微擾論的結(jié)果用在LIGO的數(shù)據(jù)分析上。

博士畢業(yè)以后，我到德國的馬普引力物理研究所，并且繼續(xù)參與LIGO的研究。我在Caltech做博士的最后幾年，以及在德國的時候，initial LIGO在提取數(shù)據(jù)，但是沒有探測到引力波。但是由于那時候大家覺得LIGO也有可能發(fā)現(xiàn)引力波，德國的洪堡基金會發(fā)給了我一個Sofja Kovalevskaya Award，讓我領(lǐng)導(dǎo)了一個科研小組。那幾年我主要是研究宏觀物體的量子測量問題，以及怎么樣用LIGO同時作為檢驗量子力學(xué)的工具。我也同時和日本國家天文臺的川村教授合作了一些空間引力波探測器的設(shè)計，還和馬普所的博士后溫琳清（現(xiàn)在在西澳大利亞大學(xué)）合作了多探測器引力波數(shù)據(jù)分析策略的研究。我也同時做了一些空間引力波探測器的設(shè)計、以及引力波數(shù)據(jù)分析策略的研究。我和那時候馬普的研究生P. Ajith、博士后Martin Hewitson一起發(fā)明的Phenominological Template Bank，現(xiàn)在是LIGO雙黑洞數(shù)據(jù)處理中的一個重要方法。

回到Caltech以后，我繼續(xù)做量子測量、LIGO光學(xué)設(shè)計的研究，也和Caltech的Rana Adhikari教授合作，做了一些LIGO中光學(xué)器件熱噪聲的研究。在廣義相對論方面，我開始研究黑洞微擾論，并且開始研究黑洞合并時候幾何動力學(xué)的一些特點。在數(shù)據(jù)分析方面，我和西澳大學(xué)的溫琳清教授合作，發(fā)展了一個快速提取中子星并合波形的數(shù)據(jù)處理方案。這個方案正由溫教授實施在LIGO中。

知社：對探測如此微弱的引力波，剛開始的時候有沒有信心，中間有沒有產(chǎn)生懷疑，看到這個數(shù)據(jù)的時候，是什么樣的一種心情？

陳雁北：對于我個人來說，LIGO給了我一個很好的機(jī)會，讓我可以研究各種各樣的物理問題。就算LIGO沒有探測到引力波，其中也有很多有意思的問題可以研究。比如量子光學(xué)，比如廣義相對論和黑洞物理，比如數(shù)據(jù)分析的方法，還有非平衡態(tài)熱力學(xué)的一些知識。在我科研生涯的前十幾年，我覺得我嘗試了、學(xué)會了很多東西。對于我來說，雙黑洞探測的成功也許是一個轉(zhuǎn)折點，我以后可能要更集中精力研究和黑洞有關(guān)的問題。

范錫龍：第一次注意到這個事件的時候是在北京師范大學(xué)，那時候我和其他同事正籌劃召開一個引力波天文學(xué)研討會，再加上之前有過盲注，就沒在意。2015年9月16日左右，我和來自英國格拉斯哥大學(xué)LVC成員早餐時間在師大餐廳討論這個信號，我的觀點是如果是真的就太幸運了，我不相信。有趣的是，因為保密原則，我們不能提及任何引力波的事情。旁邊的人如果認(rèn)真偷聽，會聽到英文版的：“那個事（the event）是真的嗎？”“可能嗎？不會吧！”“那個事很太明顯！”之類的談話。我們談話期間，天文系朱宗宏老師走了過來，他是非lvc成員的引力波專家。那情形就是我們突然停住了談話，大家相互張望，異常有趣。

我對于信號的懷疑程度的變化直到開了一次lvc電話會議，盲注團(tuán)隊說沒有任何已知信號注入行為，然后儀器團(tuán)隊說數(shù)據(jù)很干凈。我當(dāng)時有一絲絲相信我們可能真的做到了。2016年1月22日凌晨1點36分，經(jīng)過了渾身顫抖的短暫等待，我淚流滿面，因為lvc電話會議宣布：lvc集體投票決定第10版“探測文章”可以投稿。我知道，我們做到了。

直到現(xiàn)在，一想到這個發(fā)現(xiàn)，我還是心跳加速。

知社：這樣的天文事件，幾率有多大？ 調(diào)試運行，就測到如此強(qiáng)大信號，是不是很幸運？ 以后會經(jīng)常性的探測到么？

陳雁北：天文觀測不能完全碰運氣。對于LIGO，我們是根據(jù)天文學(xué)中一些知識，推斷出在一定靈敏度下，單位時間能夠探測到事件的概率。雖然這個概率本身也有很大的不確定性，但是LIGO在設(shè)計的時候，也考慮到了這個問題。所以，從一定程度上說，Advanced LIGO能探測到這個事件也不是很意外的事情。而initial LIGO什么都看不到，也是意料之中的。既然我們已經(jīng)在這個靈敏度下探測到了一個事件，這就意味著 勢必會有更多的事件被探測到。

知社：LIGO探測到引力波，對中國的天琴計劃，有什么樣的影響？

陳雁北：中山大學(xué)的羅俊院士，是中國引力物理界的領(lǐng)軍人物。他對引力常數(shù)的測量，引力定律的檢驗的研究，都處于世界的前沿。羅院士的團(tuán)隊最近提出的《天琴計劃》，是在空間中測量引力波?？臻g中，我們可以測量頻率更低的引力波。一方面，可以從側(cè)面驗證LIGO引力波源、引力波傳播的性質(zhì)，另外一方面，也可能探測到大質(zhì)量甚至超大質(zhì)量的黑洞。我希望這次LIGO對引力波的探測，對天琴計劃是一個推動。

知社：引力波速度與光速一致，這里面有什么內(nèi)在聯(lián)系么，還是純屬巧合？ 有沒有可能給大一統(tǒng)理論指引一個方向？

陳雁北：這是一個很深刻的問題。在廣義相對論里面，當(dāng)引力波和光波的波長遠(yuǎn)小于時空曲率半徑的時候，它們的傳播都可以看成是沿著所謂的“類光測地線“傳播。所謂類光地線，可以說是在時空幾何中，想逃離一個點，最最快的一個路徑。當(dāng)波長可以和時空曲率半徑相比的時候，引力波和光波的傳播時不同的。這次探測到的引力波，波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于宇宙空間中的時空曲率半徑，所以傳播速度應(yīng)該是和光一樣。引力波的存在，以及引力波以光速傳播本身，在理論物理中已經(jīng)是非常公認(rèn)的一個現(xiàn)象。所以探測到引力波本身，應(yīng)該不能對大統(tǒng)一理論作出貢獻(xiàn)。

知社：最后替科幻迷問一個問題，能不能借助引力波，實現(xiàn)星際航行和時空穿越？

陳雁北：前些年，在德國的時候，我有一個來自日本的博士后，叫做宗宮健太郎。宗宮教授是實驗物理學(xué)家，現(xiàn)在是東京工業(yè)大學(xué)的副教授，是日本引力波探測器KaGRA的重要參加者。宗宮教授和我一樣，都是《機(jī)器貓》迷。當(dāng)年在德國的時候，我們經(jīng)常開車從波茨坦去漢諾威，路上就會聊天。記得他跟我說過，他當(dāng)年參與引力波的原因就是因為他覺得發(fā)現(xiàn)了引力波，發(fā)現(xiàn)黑洞，就是造出機(jī)器貓里面的“時間機(jī)器”的第一步。

也許宗宮教授當(dāng)年比較幼稚，但是，我們不要忘記Joe Weber的“幼稚”導(dǎo)致了50年后今天對雙黑洞的發(fā)現(xiàn)。如果通過引力波觀測，我們探測到任何跟現(xiàn)在的廣義相對論推斷所不符的線索，那么就有可能導(dǎo)致基礎(chǔ)理論的突破。

［作者介紹］知社學(xué)術(shù)圈，海歸學(xué)者發(fā)起的公益學(xué)術(shù)交流平臺，旨在分享學(xué)術(shù)信息，整合學(xué)術(shù)資源，加強(qiáng)學(xué)術(shù)交流，促進(jìn)學(xué)術(shù)進(jìn)步。注：本文為知社獨家專訪，如需轉(zhuǎn)載，請聯(lián)系知社。