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曹軍威

國際激光干涉引力波天文臺（LIGO）

科學合作組織

演講全文

各位朋友下午好。我叫曹軍威，來自清華大學。我是國際激光干涉引力波天文臺（LIGO合作組織）的中國負責人。

我今天演講的題目叫《你所不知道的引力波之美》。我2004年加入美國麻省理工學院激光干涉引力波天文臺的實驗室，2006年回國，在清華大學創(chuàng)建了LIGO工作組，2009年我們加入LIGO。

我們加入這個組織工作了6年之后，在2016年2月11號，國際LIGO合作組織宣布直接探測到“引力波”。

今天我們想跟大家主要介紹三個方面的問題。

1.什么是“引力波”？

2.我們怎么探測“引力波”，為什么很難探測？

3.為什么我們認為探測到的是“引力波”而不是其他？

從科學工作者的角度，我會給大家一個非常詳盡的介紹。什么是“引力波”？“引力波”從哪來？到底科學家直接看到了什么？

我們直接看到的是這樣的一個波形。

這兩個波形在距離3000公里的美國兩個激光干涉引力波天文臺被同時監(jiān)測到。距離3000公里，光從一個天文臺走到另外一個天文臺的速度是10毫秒。

實際上這兩個波形它們之間相差了6.9毫秒。當我們把一個模型平移了6.9毫秒以后，把兩個曲線重合起來，大家可以看到關鍵的部分有非常高的重合度。這個就是我們觀測到的引力波的信號。

講“引力波”的時候，我們會說聽到了宇宙的聲音。很多年前我們有了望遠鏡，我們說這叫看到了宇宙。當引力波信號輸入到音頻以后，我們能聽到什么？

最后一下，我們能聽到“Biu”的一聲，在頻率上它已經(jīng)非常非常突出了。所以我們說聽到了“引力波”的聲音。

“引力波”從哪里來？

雙黑洞。

大家可能都聽說過黑洞，它的質(zhì)量很大，連光都逃逸不了。只有大質(zhì)量的物體在劇烈的天體運行中，我們才有可能探測到“引力波”。

這對雙黑洞的并合經(jīng)過了三個過程，第一個過程是旋進，過程中放出“引力波”。放出的能量使得它們旋進的速度越來越快，它們的距離也越來越近，當它們近到一定程度以后，兩個黑洞就會碰撞到一起。

第二個過程是碰撞，實際上就是一個“引力波”發(fā)射的過程。

第三個過程是衰減，它們形成了一個新的黑洞。這就是我們觀測到的“引力波”的一個波源，我們稱為“雙黑洞合并”。

這個過程釋放了“引力波”的意思是：有超大質(zhì)量的物質(zhì)，通過運動對引力場做了攪動，引力場中間的波動我們稱為“引力波”。

雙黑洞合并釋放“引力波”這個過程，不僅僅是兩個黑洞在旋繞，還包括了它周圍引力場的變化。它們合并以后，會釋放大量的“引力波”，我們稱為“引力場中的波動”，這種波動攜帶了巨大的能量。

什么是“引力波”？

這要回到1915年愛因斯坦的廣義相對論。

廣義相對論想在幾分鐘之內(nèi)跟大家講清楚，是一件不太可能的事情。不過可以給大家說一個最基本的概念：物質(zhì)和時空是互聯(lián)的。

無論是這么大的天體還是一個人，都是一個物質(zhì)的存在。而物質(zhì)存在的同時，周圍是有時空把物質(zhì)聯(lián)系在一起的。

最直觀的解釋就是太陽和地球之間的關系。為什么地球會繞著太陽轉？牛頓的解釋是因為萬有引力。引力是一個超距作用，引力和質(zhì)量成正比，和距離成反比。

愛因斯坦則從另一個角度來解釋。他不相信引力的傳播會是超距作用。他認為如果有一天太陽突然消失了，地球會怎么樣？地球可能就會飛出去。

地球怎么會知道太陽消失了呢？它為什么會飛出去？愛因斯坦就解釋，太陽如果消失了，它的引力場就會變化，這件事通過引力場的變化傳遞給了地球，地球知道太陽消失了，于是它就飛出去了。這個關系叫物質(zhì)引導時空彎曲。

我們剛才講了，有物質(zhì)的同時，還有一個場的存在。而這個場就是時空。太陽因為質(zhì)量很大，他把時空做了彎曲，地球并不是心甘情愿圍繞太陽轉，它以為自己在走直線，但是它實際上受到太陽所形成的時空彎曲的引導。

時空引導物質(zhì)運動，所以地球會圍繞太陽轉。物質(zhì)跟時空是互聯(lián)的，這個互聯(lián)就體現(xiàn)在“引力波”和能量的交換。

在正常情況下不同時空之間很難發(fā)生作用。但在極端的天體條件下，比如我們這次探測到的黑洞并合的瞬間，發(fā)出了巨大的能量，以波的形式，從其他時空傳遞過來，到達了地球。

在廣義相對論的基礎上，愛因斯坦于1916年預言了引力波的存在。他認為任何加速運動的物質(zhì)都會發(fā)出引力波。也就是說我跑兩步，你走兩步也可以有引力波，但這個引力波強度非常微弱，很難探測出來。

引力波會對時空產(chǎn)生什么樣的作用？在多極的情況下，它在一個方向上會拉伸時間和空間，在另一個方向上會壓縮時間和空間。

這個怎么理解？形象的理解就是：一張桌子，你用普通尺子去量，它是1米長。但如果尺子變了，你去量的時候，發(fā)現(xiàn)了這個桌子的長度也變化了。引力波導致的是尺子的變化而不是物質(zhì)的變化。

雙黑洞合并導致時空彎曲，釋放出這個引力波的過程中，如果我們把時空的效果再加進去，會是一個什么樣的情況？

我們附加了下邊這條線，是我們探測到的引力波的實際一個曲線。這是在不到1秒的時間內(nèi)發(fā)生的一個事件：兩個黑洞已經(jīng)非常非常接近了，它們的旋進導致引力波的放出，然后旋進越來越近。

大家能看到不僅僅是兩個物質(zhì)間的運動，實際上是它們時空之間的相互作用。

當時空的彎曲作用逐漸接近，進入到非常劇烈的一個并合過程，在很短的瞬間釋放出了巨大能量的引力波，使得這兩個黑洞并合在了一起。這就是我們探測到的過程。

為什么引力波很難探測？

一是因為引力波源距離我們很遠，二是即便有引力波，它跟物質(zhì)的相互作用極小，一個引力波掃過你，你可能根本就沒有任何的感覺。

在地球上一個氫彈的爆炸，所產(chǎn)生的引力波的量級是10的負27次方時空上的變化，這是我們無論如何也探測不到的。

必須有大質(zhì)量天體的極端運動，才能產(chǎn)生足夠讓人類現(xiàn)在能探測到的引力波。這個量級有多少？

我們這次探測到了在10的負18次方時空里，有四個格之間我們發(fā)現(xiàn)了其中一格的空間晃動了一下。

為了探測到這個信號，我們建造了一個激光干涉引力波天文臺，它臺的臂長有4公里長，兩個臂是垂直的，都有4公里。這里能看到光學的激光器件，信號是從這里被探測到。

這個天文臺的基本工作原理是：一束激光打出來，翻成兩束，再反射回來，如果兩臂絕對等長，那在成像儀上就沒有信號。

如果由于引力波的作用使得一個臂壓縮，另一個臂拉伸，那就會在這個成像儀上產(chǎn)生信號。

時空都是相對的，唯有光速是絕對的，所以我們要借助激光這個媒介來測量空間的彎曲。

我們來回放一下：我們想象的宇宙空間里，有著像水波紋一樣的時空分布。

如果這里面有像黑洞這么大的物質(zhì)，開始在里面對時空進行攪動的話，它就會不斷地釋放出引力波，這個引力波是在物質(zhì)周圍，跟物質(zhì)聯(lián)系在一起。

旋轉越快、越近，引力波放出的能量就越大。最終這兩個黑洞并合在了一起。

經(jīng)過我們后面的推算，我們探測到的這個引力波信號，發(fā)生在13億年前，經(jīng)過了很多很多星系，最終來到了地球，這個過程只有一秒的時間。

而我們就在這一秒的之前的一個禮拜，把兩個天文臺做好了，剛剛好可以達到能探測到它的精度。

所以你說幸運不幸運？你說美不美？

通過我們的波形，推算出這兩個黑洞的質(zhì)量，一個相當于太陽質(zhì)量的29倍，一個相當于太陽質(zhì)量的36倍。并合以后的黑洞是62個太陽質(zhì)量。

也就是說在不到1秒里面，有三個太陽質(zhì)量的能量，瞬間從物質(zhì)導入了時空，產(chǎn)生了一個巨大的引力波。

大家可以想象這個量級：太陽已經(jīng)存在了45億年，而且還將存在45億年，它生命全過程中釋放出來的能量，供地球用都用不完。

而三個太陽質(zhì)量的能量，在不到一秒鐘的時間內(nèi)釋放了出來，經(jīng)過了13億年傳到了地球，我們才有機會在不到1秒的過程中捕捉到它、探測到它，這就是事件全過程。

為了做到這件事，我們的探測器達到了很多人類所能達到的技術極限。

第一是探測臂外面有一個罩，里面是一個真空腔，這是全世界最大的真空系統(tǒng)，4公里長。

而且我們等于有兩個這種真空系統(tǒng)，它們在中間交叉了一下。因為真空能避免各種分子運動在空氣中的干擾，所以我們要在真空里才把激光束打出。

我們打的激光也不能是一般的激光。必須是能量高又穩(wěn)定的激光才能實現(xiàn)精密測量。

反射這激光的鏡面必須質(zhì)量非常好，激光打上去以后，由于熱運動鏡面開始變形，而必須排除各種干擾，我們才能探測到10的負18次方這樣的精度，所以這個鏡面也是特殊制造的。

懸掛這個鏡面的機械裝置是最穩(wěn)定的一個振動隔離系統(tǒng)，外邊不論怎么振，這個鏡子必須不動。

最后，我們需要一個數(shù)據(jù)的采集和分析系統(tǒng)。我本人是計算機專業(yè)出身，所以我更多的工作是放在這個系統(tǒng)上。

2015年9月14日，5點51分，這個信號被捕捉到，進入到我們的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。

9月14號5點54分，在3分鐘之后，我們在線的程序流水線就發(fā)出了警告，告訴我們有這樣一個信號值得關注。

這個程序流水線的名字叫Coherent WaveBurst，它做了一件非常簡單的事情：計算這個波形的能量變化。

發(fā)現(xiàn)在兩個天文臺捕捉到這樣的能量變化，而且時間差距在10毫秒以內(nèi)，我們就把這個信號提取出來。認為這可能是一個引力波信號。

前面我們既講了什么叫引力波的基礎理論，又講了我們怎么探測到引力波。下面我就講一下，為什么我們這么確信這個信號就是個引力波，而不是其他的東西？

我們把收集到的16天的數(shù)據(jù)都輸入到這張圖里面去，大家可以看到，左邊是代表我們所有的信號的背景，右邊這個點就是我們探測到的信號。

探測到的信號，遠離我們整個數(shù)據(jù)的背景，遠離的程度是多少？它的信噪比在23以上，它在天文上的標準顯示度達到了5.1σ值。在天文上，5以上我們認為就是一個新發(fā)現(xiàn)。

我們沒有機會對黑洞放出的引力波做實證的對比，因為我們現(xiàn)在還沒有任何方式能觀測到黑洞。那么我們做了一個仿真的對比。

上面是一個黑洞并合的過程，這個紅線叫數(shù)值廣義相對論的一個仿真曲線，這個灰線是從第一張PPT的數(shù)據(jù)中重構出來的——一個我們認為是引力波的曲線。

大家能看到這兩個曲線的相似度在99%以上。在旋進并合到漸退的過程，它從35赫茲到350赫茲，在不到一秒的過程中劇變?nèi)缓笙恕?/section>

這不是一個普通的噪聲所能偽裝出來的信號，一個噪聲想偽裝成這樣的一個信號的概率，20萬年才會有一次。這件事加強了我們的信心。通過這樣一個對比，我們非常有信心：這是一個引力波的信號。

這項工作，有來自全世界一百多個科研機構的上千名科學家參與。從90年代開始建設天文臺，到現(xiàn)在探測到引力波，歷經(jīng)20余年，清華大學是中國的唯一的參與單位。

這件事的理論意義，我想用這句話是最準確的概括了：

引力波的探測，是愛因斯坦在1915年提出的廣義相對論在最極端最嚴格情況下的一個驗證。等于說是填補了廣義相對論四大驗證中最后的一塊板塊。

在天文上的意義在于說我們開始能夠聽到宇宙，打開了一扇探索宇宙的新窗口，開啟了引力波天文學的一個新時代。

未來的工作很簡單，這張圖標識了我們用兩個天文臺來定位引力波源的一個精度。

這個精度還是很粗糙的，它不足以支撐我們未來精確的引力波天文學的研究。

未來我們要建設全球的引力波探測網(wǎng)絡，這樣的一個網(wǎng)絡在美國已經(jīng)運行，在歐洲和日本建設，甚至在印度也開始籌劃，中國也在緊鑼密鼓的計劃中國主導下的引力波天文臺的建設。

很多人都問我，你這個東西有什么用呢？

現(xiàn)在我可以明確地告訴大家，沒有現(xiàn)實意義上能掙錢的應用。但是我想最起碼在剛才的幾十分鐘里，它給我們了一個機會，讓我們大家在一起去仰望星空。

引力波到底美不美？從剛才我給大家介紹的一系列數(shù)字之中，大家可以來想像自然和宇宙是如此的神奇。

13億光年，65個太陽質(zhì)量，在一秒鐘之內(nèi)放出了這么大的能量，而在10的負18次方的量級上探測到引力波的存在。

實際上我想講的并不是自然有多神奇，我更想強調(diào)的是，人類居然能夠理解這件事，是不是更神奇？居然有愛因斯坦這樣的人，在100年前就寫下了方程，預言到了這件事。而在100年后，居然有人就能做出這樣的儀器，把它探測出來。

所以我想到底美不美，大家每個人心中都有你們自己的一個答案。

很多人也問我，到底時空穿越，星艦文明有沒有可能？我想沒有不可能的事情。

如果有一天，我們有了遠航的星艦文明，它將會回想和2016年2月11號這一天，人類探測到引力波。

這是一個歷史的起點，而不是終點。

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