[科普中国]-LIGO发现引力波：人类从此拥有新的宇宙感知力

编者按： “我们发现了引力波！我们做到了！” 北京时间2016年2月11日23:40左右，激光干涉引力波天文台（LIGO）负责人、加州理工学院教授David Reitze宣布，LIGO发现了引力波。 《知识分子》邀请德国马普引力物理所、清华大学博士后、LIGO科学合作组织成员胡一鸣对引力波探测进行解读。 明日将继续刊出美国德州奥斯汀大学理论物理博士张天蓉的解读文章，敬请期待。
文 | 胡一鸣（德国马普引力物理所、清华大学博士后，LIGO科学合作组织成员） LIGO负责人、加州理工学院教授David Reitze宣布，LIGO发现了引力波。视频来源：LIGO新闻发布会直播（视频） 海伦•凯勒自幼耳目不通，生活在无尽的黑暗与寂静中。她体会到视听感官被剥夺的痛苦，所以更加珍惜生命的可贵，写下了传世之作《假如给我三天光明》，感动无数人。
然而，谁又能想到，其实人类在面对浩瀚的宇宙时，从来都是只能远观而不可聆听。望远镜越来越大越来越灵敏，却仅仅让天文学家“目明”而不能“耳聪”。人类认识的宇宙，一直是一片寂静。
2015年9月14日，一个不管怎么看都十分平常的日子。然而在后世的历史中，一定会如此记载：这一天，人类认识宇宙，又多了一种新的武器。从此，人类不再只用眼睛去看，面对宇宙，更是洗耳恭听。这一切，仅仅是因为两个叫做高新激光干涉引力波天文台的引力波探测器，在一个宁静的夏夜，搜寻到了一阵时空的涟漪。随之载入史册的，也有这串涟漪的名字：GW150914，在2015年9月14日探测到的引力波（GW）。
当然，在后世的考古学家考据这段历史时，也许早就记不清，这是在十几亿光年外，两个分别为29倍太阳质量和36倍太阳质量的超恒星级黑洞并合产生的信号；也大概不会记得并合发生在北京时间下午5：51；或许早就已经忘却，这个信号在从20Hz跃升到150Hz的并合频率时只用了不到0.2秒的时间；更甚至，连它是来自南天球这一点都会被湮没在历史的尘埃中；脑洞开得再大一点，也许未来的科学家早就用更高效的方法探测或产生引力波，以至于用激光干涉探测引力波这样的想法显得如同史前时代一般。
然而，他们一定会仔细玩味，人类首次直接探测引力波信号的那一年，恰恰是爱因斯坦发表广义相对论的一百周年整；而宣布这一探测的年份，又恰恰是爱因斯坦根据广义相对论推导得出引力波的一百周年。

LIGO汉福德(H1，左) 和利文斯顿(L1，右) 探测器所观测到的GW150914引力波事件。该图展示了在两个LIGO探测器中观测到的由该事件产生的引力波“应变”（见下文）如何随时间（秒）和频率（赫兹）变化。两个图均显示了GW150914的频率在0.2秒内从35赫兹迅速增加到150赫兹。GW150914先到达L1，随后到达H1，前后相差千分之七秒，该时间差与光或者引力波在两个探测器之间传播的时间一致（版权：LSC/Virgo collaboration）
引力波——跨越百年的追寻
1915年，爱因斯坦用那美妙的场方程道出了引力的奥秘——时空命令物质如何运动，而物质引导时空如何弯曲。爱因斯坦很自然地就联想到，当物质在时空中运动时，时空会如何随之改变呢？很快，他就得到了一个他称之为引力波的数学解。当一列引力波向你迎面走来时，你会忽而又高又瘦，忽而又矮又胖，并且循环往复——当然，这个变化实在是非常的微小，所以爱因斯坦很快就断言，引力波无法被探测到。

当一列线性偏振的引力波向你迎面走来时，你周围的时空会不断压缩——拉伸——压缩——拉伸，循环往复（图片版权：马普引力所）
广义相对论还预言出各种千奇百怪的东西来，最有名的大概就属黑洞了。爱因斯坦对于黑洞很是花了一番时间研究，然而对于他而言，这些研究就好像是报纸上的趣味问答，好玩，有趣，有着智力的挑战，但同时也没有任何实际意义。自始至终，爱因斯坦从来没有正儿八经地相信过在真实的宇宙里会存在黑洞这样的东西。
通过比较由数据重构的引力波应变（以在汉福德的H1探测器所接收的应变为例）和由广义相对论计算得出的在旋进、并合和铃宕三个过程的最佳匹配波形，得出的关于GW150914的一些关键结论。图片下方展示了两个黑洞的间距和相对速度随时间演化的过程。（版权：LSC/Virgo collaboration）
GW150914,却恰恰以5个标准差以上的显著水平确认GW150914是一个真实的信号。上面的图片意味着，两个黑洞在并合前——也就是引力波的频率差不多达到150赫兹时——相距仅仅几百公里。在这么大的质量下靠这么近还能不发生并合的，只有黑洞了。
正如马克斯•普朗克引力物理研究所(阿尔伯特•爱因斯坦研究所)的所长布鲁斯•艾伦(Bruce Allen)所说，“爱因斯坦当初认为引力波太过微弱而无法探测，并且他从未相信过黑洞的存在。不过,我想他并不介意自己在这些问题上弄错了。”
在广义相对论提出之后一个世纪，它的几个重要预言意义得到了认证。即使在黑洞并合这样极强的引力场条件下，观测得到的引力波演化也和广义相对论的预言高度吻合。在现代物理学里，很少能看到这样一个理论经历百年风雨依然屹立不倒了。
对双星并合信号的搜索，定量地显示了同噪声起伏产生的背景相比，GW150914是多么地罕见。这一搜索可以断定由噪声伪装成GW50914是极端罕见的——少于每两万年一次——这一数值等同于高于五倍标准差的探测显著性。
众里寻他千百度
悄悄的我走了，正如我悄悄的来；我挥一挥衣袖，不带走一片云彩。
引力波，便是这样，来无影，去无踪。它就好像是铁掌水上漂的轻功高手，纵使自身携带着巨大的能量，也能做到踏沙无痕。这因为此，引力波的测量才如此困难，困扰着一代又一代的物理学家。
这个原因还得从引力的性质说起。对初中物理万有引力公式稍作回忆，就可以想起所谓的万有引力常数G，其数值是67x10-11 m3 kg-1 s-2这一极其微小的数字意味着，相比其他三种基本作用力（强力，弱力，电磁力），引力实在是太微弱了。我们不妨把时空想象成一根弹簧，时空中的质量变化会导致弹簧的伸缩。但是由于引力常数太过微小，所以时空这根弹簧非常之硬，以至于其改变量极难察觉。即使施加巨大的能量也仅仅能够改变分毫。
这是引力波的极大的优点，却恰恰也是引力波最大的缺点。
说它是优点，是因为它极少与物质相互作用，所以阻隔得再厚的墙壁在引力波面前都如同透明一般。反观传统意义上的天文观测手段，一般都使用不同光子作为观测媒介。而光子却很容易与物质发生相互作用。举个例子，太阳核心区域发出的光子在太阳内部不断地被吸收——辐射——吸收——辐射，平均来说，需要花上一百万年时间才能走到太阳表面。所以，当我们观测到来自太阳表面的光子时，我们是没有任何办法直接探究太阳中心的情形的。
引力波则不然，它率性至极，一旦产生，便乘兴而来，似乎什么都阻挡不住它的步伐，因此它包含着源的中心区域最核心的信息。可是，引力波的“率性”是一把双刃剑，在带来核心信息的同时，也让探测极为困难。
目前的LIGO干涉仪由两条分别长达四公里并且互相垂直的干涉臂构成。沿着每条臂传播的激光束在末端反光镜（悬挂的测试质量）处被反射。当引力波经过时，时空的伸缩导致一条臂长变长的同时另一条臂长变短。当两条臂的长度变得不同时，激光束在两臂传播时间不再相同，也就是说两束激光束的相位不再同步，于是所谓的干涉条纹产生了。经过数年升级工作的高新LIGO，能检测出引力波所引起的小于质子直径万分之一尺度的变化量来。
高新LIGO探测器简化示意图（未按比例显示），对基本设计的主要改进包括：一个光学谐振腔，使激光在单臂中来回反射多次，以加强引力波在激光相位上产生的影响；一个功率循环镜，将干涉仪中的激光功率大幅提高；一个信号循环镜，进一步优化从光电探测器中提取的信号。这些改进使得激光功率在光学谐振腔中增强了5000倍，并且延长了信号在干涉仪中循环的时间。图(a) 显示了两个LIGO探测器的地理位置和方位，以及光在它们之间传播所需的时间。图(b) 展示了在GW150914事件前后两个探测器中仪器噪声与频率的关系。仪器噪声越低，探测器对引力波的灵敏度越高。图中的尖峰表示该窄带频率处有很强的仪器噪声。（版权：LSC/Virgo Collaboratiom）
再看一下这一次探测到的GW150914，其释放出的峰值功率要比可观测宇宙中所有星系的光度总和的十倍还要多，如此巨大的能量意味着双黑洞系统在短短的一秒钟之内将重达3倍太阳质量（也就是大约六百万亿亿亿千克）的物质通过质能方程E=mc2转化成了巨大的能量。要知道，太阳——这对人类而言无比巨大的能量源——每秒钟也不过是吧40亿千克的物质转化为能量。两相比较，可谓悬殊巨大！
如果并合过程中释放的所有能量以可见光的形式辐射出来，那么即便它发生在10多亿光年之外，它仍将在一瞬间比满月更耀眼！可是如此巨大的能量，在经过地球时，却仅仅耗散了10-17焦耳的能量，相当于一个X射线光子的能量。纵是弱水三千，我只能取一瓢饮之，引力波的探测之难，亦不难想见。
引力波探测，是终点，更是起点
引力波的探测，是长达一个世纪物理学家梦幻的达成，是上千科学家数十年辛勤付出的回报，它意味着一个终点。
但同时，它更是一个起点。第一次直接探测引力波，仅仅是一个伟大时代的开端。
引力波的意义，不仅仅是验证广义相对论，更对天文探测起着无比重要的作用。比如说，在正式运行之前，几乎没有人会相信第一个探测到的引力波信号会是双黑洞并合，而且是质量如此之大的黑洞双星。通过这一次观测，我们知道了数十倍太阳质量的黑洞是可以存在的，这意味着其前身星必定金属含量比较低，同时星风比较弱。我们还可以限制这类事件的发生率，并且预测下一次科学运行时能有多少个探测结果。这一切，都无法通过传统的电磁波天文学得到。
事实上，引力波不光具备视觉所不能及的信息，其与人的听觉还有另一种异曲同工之妙：正如堵住一个耳朵，人就无法分辨声音的来源，只靠一个引力波探测器，也无法确定致密双星并合的信号。而现在测量致密双星并合信号的天空来源的方法，正如同人的听觉一样，靠到达两个耳朵的时间差，和到两个耳朵的信号的强弱比决定。因此，以地球为脑袋，引力波探测器为耳朵，LIGO的科学家们架设起了一座倾听宇宙的招风巨耳。
想不想亲耳听一下GW150914？经过数据处理，LIGO科学合作组织将它呈现在您的耳边： 引力波探测器通过信号到达不同探测器的时间差来确定信号的空间位置（LSC/Virgo）
一个世界的长跑接力抵达了终点，但是一个新的时代，才刚刚悄然开启。
作为一个普通的科研工作者，有幸出生在这个时代，见证这一伟大的历史性突破，更重要的是亲身参与进这样的历史进程，我感到三生有幸。然而，哪怕你不是物理学家，一样可以为搜索引力波做贡献！

引力波的种类有很多，LIGO的科学目的除了探测来自致密双星并合的信号外，也会搜索来自银河系内的中子星的连续信号。这个搜索由于需要大量计算资源，哪怕用上LIGO自己的超级计算机也不够，所以常年征求志愿者贡献CPU时间，只需要登录http://www.einsteinathome.org/，你就可以下载Einstein@Home的程序，用你电脑的闲暇时间的空余CPU，处理来自LIGO的数据，搜索时空的涟漪。
无尽的自然之谜正在徐徐展开。我们的征途，在星辰大海！