昨天晚上10點(diǎn)，全球數(shù)十家著名天文機(jī)構(gòu)同時(shí)發(fā)布了一個(gè)重大消息：人類第一次直接探測(cè)到來(lái)自雙中子星合并的引力波。
可能有人會(huì)說(shuō)，引力波不是去年2月就已經(jīng)被探測(cè)到了嗎，怎么又來(lái)宣布了？
這是因?yàn)椋?strong>這兩次引力波發(fā)現(xiàn)事件的性質(zhì)并不一樣，因此意義并不相同。如果用一句話簡(jiǎn)單地概括，就是之前那次，人類只是感覺(jué)到了引力波的存在，而這次，是正兒八經(jīng)地“看到了”。
今天，眠眠就給大家簡(jiǎn)單普及一下引力波，以及引力波觀測(cè)的知識(shí)，放心吧，會(huì)用最通俗易懂的語(yǔ)言來(lái)講。
01 引力波是個(gè)啥？
如果把我們的宇宙比作一座巨型公寓樓的話，那么里面各種完全不同的物質(zhì)就好比是脾氣完全不同的租客，怎樣能讓這些“租客”們和睦共處呢？
這座宇宙公寓樓給出了四條最基本的規(guī)定，所有租客都必須按照這四條基本規(guī)定來(lái)。是的，這就是宇宙中最基本的四種相互作用：“引力相互作用，電磁相互作用，強(qiáng)相互作用和弱相互作用”。
這四種相互作用，也被稱為“自然界四力”或者“宇宙基本力”。直到今天為止，宇宙中任何被觀察到的，一切關(guān)于物質(zhì)的物理現(xiàn)象，在物理學(xué)中都可借助這四種基本相互作用的機(jī)制，來(lái)進(jìn)行描述和解釋。
這四種相互作用中，電磁力、強(qiáng)力、弱力這三種都在上世紀(jì)中期時(shí)就已經(jīng)被探測(cè)并證明存在了，只有引力的作用一直存在于理論中，關(guān)于它存在的證據(jù)：引力波，卻一直沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)。
這是為什么呢？
因?yàn)橐ψ饔脤?shí)在是太弱小了。按照四種基本力的相對(duì)強(qiáng)度：如果把引力的強(qiáng)度定為1的話，那么，哪怕名字里帶個(gè)“弱”的弱力，都有10的25次方那么強(qiáng)大。而電磁力和強(qiáng)力則分別為10的36次方和10的38次方那么大。
所以不比不知道，一比就會(huì)發(fā)現(xiàn)，引力波的作用實(shí)在太微弱了。
那么，引力波到底是個(gè)怎樣的波呢？
在愛(ài)因斯坦的《廣義相對(duì)論》中，我們可以用一種比較形象的方式來(lái)解釋：時(shí)空的彎曲，或者說(shuō)，是帶質(zhì)量的物體進(jìn)行加速度運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的波。
如果把時(shí)空想象成一張巨大而平整的沙發(fā)，那么你坐在沙發(fā)上，重量自然會(huì)導(dǎo)致沙發(fā)凹陷。如果在你旁邊放一個(gè)小球的話，那么小球也會(huì)因?yàn)槟愕闹亓繚L向你所造成的凹陷中。
并且，體重越大的人，對(duì)沙發(fā)制造的凹陷也越大，效果也越明顯（放心吧，眠眠不是叫你們減肥……）。
另外，如果把你坐上沙發(fā)的那一瞬間，通過(guò)超高速攝影一幀一幀慢放的話，你會(huì)發(fā)現(xiàn)你對(duì)沙發(fā)制造的那個(gè)凹陷，是逐漸從內(nèi)向外擴(kuò)散的，這種擴(kuò)散呈現(xiàn)出一種波動(dòng)形式。
如果用更明顯的例子的話，當(dāng)你把一顆石子投入平靜的湖水中，會(huì)在石子入水的地方為中心，產(chǎn)生一圈一圈的漣漪。這種漣漪，就和引力波的作用有著異曲同工之妙。
顯然，如果以宇宙時(shí)空作為背景，那么一個(gè)石頭，或者是一個(gè)人所造成的引力波，幾乎可以忽略不計(jì)了。更不用說(shuō)被遠(yuǎn)隔著幾十億光年之外感知到了。
這就是說(shuō)，只有那些龐大到不可思議的天體，在產(chǎn)生驚天動(dòng)地的天文現(xiàn)象時(shí)，所釋放出的引力波，才能大到被遠(yuǎn)隔十?dāng)?shù)億光年之外的我們捕捉到。
比如，超新星爆發(fā)所產(chǎn)生的引力坍縮和伽馬射線暴，比如FAST前陣子發(fā)現(xiàn)的脈沖星，比如雙星系統(tǒng)的合并，像雙黑洞的合并（去年那次），或是雙中子星的合并，也就是昨天剛剛發(fā)布的這次引力波觀測(cè)事件的起源。
02 怎樣捕捉引力波？
事實(shí)上，即便是黑洞合并這樣震驚宇宙的大事件，所產(chǎn)生的引力波信號(hào)抵達(dá)地球時(shí)，其強(qiáng)度也已經(jīng)微小到微乎其微。
究竟有多小呢？
引力波振幅的數(shù)量級(jí)在10的負(fù)21次方以下，只有氫原子的100億分之一大小。
振幅小到這個(gè)尺度的波動(dòng)信號(hào)，不要說(shuō)蝴蝶振動(dòng)一下翅膀，就是蝴蝶放個(gè)屁都相當(dāng)于一場(chǎng)海嘯……
那么黑科技LIGO是怎樣捕捉到引力波的呢？
LIGO的全名是Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，中文意思是激光干涉引力波天文臺(tái)。是的，從名字里就能看出，LIGO之所以能捕捉到引力波，所運(yùn)用到的就是光的干涉原理。
干涉原理雖然是初中物理知識(shí)，但相比很多人都忘了，沒(méi)事我再幫大家回憶下，兩束光波在傳播時(shí)如果互相重疊，就會(huì)出現(xiàn)新的波形。如果是峰谷疊加的話，新波形就會(huì)更強(qiáng)（下圖左），如果峰谷相抵的話，新波形甚至?xí)Вㄏ聢D右）。
體現(xiàn)在光強(qiáng)上，最亮的地方會(huì)超過(guò)原先兩束光的光強(qiáng)之和，而最暗的地方光強(qiáng)有可能為零，這種光強(qiáng)的重新分布被稱作“干涉條紋”。
在引力波的影響下，就會(huì)出現(xiàn)微小的光波波形變化，這時(shí)光探測(cè)器就能感應(yīng)到干涉條紋的變化。最理想的狀態(tài)就是從無(wú)到有，原本是完全互相抵消的，如果被引力波影響，就會(huì)形成干涉波形圖樣。
看起來(lái)似乎矮油，不錯(cuò)哦，然而實(shí)際操作起來(lái)卻非常非常困難。因?yàn)榈厍蛏媳旧泶嬖谔嗟?strong>電磁噪音干擾，這些干擾本身比引力波要大得多。這怎么解決呢？
除了一些頂尖的抗干擾方式之外（比如新LIGO那個(gè)增強(qiáng)10倍精度的懸垂式穩(wěn)定器），LIGO還有一個(gè)解決之道，那就是，我復(fù)制一個(gè)自己。
真實(shí)的LIGO系統(tǒng)，其實(shí)是有兩個(gè)完全一致的設(shè)備，分別位于華盛頓州的漢福德和路易斯安那的利文斯頓，兩地相距3000多千米。這樣一來(lái)，就可以通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)比對(duì)兩者采集到的數(shù)據(jù)，并通過(guò)算法來(lái)排除許多干擾信息。
因?yàn)?，同時(shí)能影響到相隔這么遠(yuǎn)的兩地的波動(dòng)信號(hào)，基本上必然來(lái)自太空，這樣把地面人為的信號(hào)都去除掉，再篩選起來(lái)就容易多了。
除了這些之外，LIGO這套設(shè)備本身也已經(jīng)堪稱是人類史最精密的儀器。
首先，為了能夠獲得更清晰的干涉波形，需要激光的強(qiáng)度足夠大，也就是功率要大，那么增強(qiáng)激光功率的方法，就是讓激光通過(guò)許多鏡面進(jìn)行多次來(lái)回反射。
LIGO的每一面鏡子，都有著超乎想象反射率，這些純二氧化硅打造的反射鏡，每300萬(wàn)個(gè)光子射入，只有1個(gè)會(huì)被留下，其余光子全部會(huì)被反射走。
另外，LIGO本身的激光臂就有4公里長(zhǎng)，但這對(duì)于精度而言還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，激光要經(jīng)過(guò)400次反射，才能達(dá)到最終的強(qiáng)大功率，也就是說(shuō)激光臂最終長(zhǎng)度是1600公里，這樣驚人的長(zhǎng)度才能實(shí)現(xiàn)最終的精確率。
是的，當(dāng)你用引力波的振幅10的-21次方和1600km相乘時(shí)，最終得到的數(shù)據(jù)尺度大約是單個(gè)質(zhì)子半徑那么大，雖然依然是極小，但至少足夠我們捕捉到引力波的存在了。
03 這一次的引力波探測(cè)有什么不同？
昨天公布的這次引力波探測(cè)事件，是兩個(gè)中子星合并時(shí)所釋放的引力波。而之前觀測(cè)到的那次，是兩個(gè)黑洞合并所釋放的引力波。
簡(jiǎn)而言之，它們的差異有兩點(diǎn)：
第一點(diǎn)，是雙中子星合并，所產(chǎn)生的引力波信號(hào)更強(qiáng)。雖然中子星的質(zhì)量比黑洞小很多，但是它們持續(xù)釋放引力波的時(shí)間要比黑洞長(zhǎng)很多，可以達(dá)到一分鐘以上，而黑洞合并的引力波信號(hào)，通常只持續(xù)一秒。
嗯，持久就是好呀~
第二點(diǎn)，是雙黑洞合并時(shí)，因?yàn)楹诙吹某笠?，任何光波都無(wú)法釋放出來(lái)，也就是說(shuō)，這一事件是真正意義上的“黑”的，我們只能根據(jù)其他現(xiàn)象推測(cè)它產(chǎn)生了，但是無(wú)法真的“看到”。
而雙中子星合并就不一樣了，它不但會(huì)釋放大量的短伽瑪射線暴，還會(huì)發(fā)出巨新星輻射，也就是說(shuō)，有大量的電磁信號(hào)會(huì)產(chǎn)生，會(huì)被我們的天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到。
這也就是說(shuō)，同時(shí)結(jié)合了引力波和電磁波，我們就對(duì)觀測(cè)有了一個(gè)雙保險(xiǎn)加參照物，通過(guò)電磁波還可以準(zhǔn)確定位到天文現(xiàn)象的位置。
嗯，黑洞可能大家都有所耳聞，那么中子星（neutron star）又是個(gè)啥呢？
當(dāng)恒星的壽命即將終結(jié)時(shí)，它內(nèi)核中的氫、氦、碳等元素已經(jīng)在百億年的核聚變反應(yīng)中消耗殆盡。最終當(dāng)熱輻射效應(yīng)漸漸式微，所產(chǎn)生的壓力再也不足以支撐外殼時(shí)，就會(huì)發(fā)生坍縮，以及劇烈的爆發(fā)。
根據(jù)恒星的質(zhì)量不同，從小到大最終會(huì)演變成白矮星、中子星或是黑洞的一種。
中子星的直徑一般是10-20公里，但是每一立方厘米的物質(zhì)便可重達(dá)十億噸，因此它的重量可以達(dá)到太陽(yáng)的1.35到2.1倍之多。這也就是說(shuō)，中子星的密度基本上跟原子核的密度差不多。
另外，中子星的自轉(zhuǎn)速度非常之快，可以達(dá)到一秒一圈。
大家可以想象一下，一個(gè)直徑20公里，有兩個(gè)太陽(yáng)那么重的星體，一秒鐘就轉(zhuǎn)一圈，這是一種什么景象……
正是因?yàn)樽赞D(zhuǎn)極快，中子星本身磁場(chǎng)又極強(qiáng)，在自轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的電磁波輻射每掃過(guò)地球一次時(shí)，都會(huì)形成高頻的信號(hào)脈沖，這種中子星也被稱為“脈沖星（Pulsar）”。就跟迪廳里快速轉(zhuǎn)動(dòng)的彩燈差不多……
值得一提的是，世界最大單口徑（500米）射電望遠(yuǎn)鏡，位于我國(guó)貴州的FAST望遠(yuǎn)鏡，一周前剛剛探測(cè)到數(shù)十個(gè)優(yōu)質(zhì)脈沖星候選體，其中6顆通過(guò)國(guó)際認(rèn)證。
這也是中國(guó)射電望遠(yuǎn)鏡首次新發(fā)現(xiàn)脈沖星。
上文里我們也說(shuō)了，脈沖星本身就是引力波產(chǎn)生的重要來(lái)源，也就是說(shuō)，未來(lái)非常有可能由LIGO、VIRGO（相當(dāng)于歐洲的LIGO）發(fā)現(xiàn)引力波的存在，再由FAST這樣的天文望遠(yuǎn)鏡向那個(gè)位置觀察，最終發(fā)現(xiàn)脈沖星、中子星合并等罕見(jiàn)的天文現(xiàn)象。
這一次的中子星合并，就是這樣的故事：
8月17日，LIGO與VIRGO的三臺(tái)探測(cè)器先后接收到一個(gè)引力波信號(hào)。就在這之后僅僅1.7秒，NASA的費(fèi)米衛(wèi)星就探測(cè)到了一個(gè)伽馬射線暴。再之后位于智利的SWOPE望遠(yuǎn)鏡在星系NGC4993中觀測(cè)到明亮的光學(xué)源。
這三者互相印證了一件大事在宇宙中的產(chǎn)生（其實(shí)已經(jīng)是1.3億年前就發(fā)生了，只不過(guò)信號(hào)剛剛到地球……）
于是接下來(lái)的數(shù)個(gè)星期，全世界所有的著名天文臺(tái)全部將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)了這片區(qū)域，并爭(zhēng)先恐后地記錄下天文數(shù)據(jù)，也就是這兩顆中子星的前世今生：
距離地球1.3億光年的長(zhǎng)蛇座星系NGC4993中，兩顆中子星彼此吸引著，越轉(zhuǎn)越近，最終它們決定合體，以獲得生命的大和諧……
在并合前約100秒時(shí)，它們相距400公里，每秒鐘互相繞轉(zhuǎn)12圈（這速度嘖嘖），并向外輻射引力波。數(shù)秒之內(nèi)它們?cè)睫D(zhuǎn)越近，直至最終合體在一起，發(fā)生劇烈的撞擊，形成新的天體，并發(fā)出電磁輻射。
LIGO它們發(fā)現(xiàn)的，就是這次合體事件的引力波；全球各大天文臺(tái)發(fā)現(xiàn)的，就是這次合體事件的電磁輻射。
雙中子星合并，最后變成了什么呢？
目前還在觀測(cè)中，一種可能是變成了一顆更大的中子星，也有可能是變成了黑洞。
04 引力波的發(fā)現(xiàn)有什么意義？
我覺(jué)得大眾最關(guān)心的，可能就是這個(gè)了吧。
然而實(shí)話實(shí)說(shuō)的話，就目前而言，除了在天文、物理等頂尖領(lǐng)域意義重大之外，對(duì)于普通人而言，并沒(méi)有什么直接的意義。
或許很多人就會(huì)這樣想，那有啥好關(guān)心？反正這玩意也不會(huì)影響我漲工資，也不能幫我娶媳婦兒，有這個(gè)資金還不如搞搞扶貧呢。有關(guān)心這個(gè)的功夫我還不如看看彭于晏鹿晗的八卦呢。
真的是這樣嗎？
曾經(jīng)五百年前，歐洲的航海技術(shù)飛速發(fā)展，而原本航海實(shí)力世界第一的明朝卻寧愿禁海，也不愿再在航海上燒錢(qián)。從此歐洲人殖民了全世界，至今他們的文化還深遠(yuǎn)影響了海外。
曾經(jīng)三百年前，歐洲啟蒙運(yùn)動(dòng)誕生，基礎(chǔ)科學(xué)迅速發(fā)展，而清朝人卻將其視為奇技淫巧。然而人家很快產(chǎn)生了工業(yè)革命，把中國(guó)遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩在后面不說(shuō)，還讓我們經(jīng)歷了那樣屈辱的歷史。
如今，我們還要繼續(xù)那樣短視嗎？只有身邊看得見(jiàn)摸得著的，才是利益，長(zhǎng)遠(yuǎn)的看似縹緲無(wú)邊的，就跟我沒(méi)關(guān)系，是這樣嗎？
當(dāng)電磁感應(yīng)被法拉第發(fā)現(xiàn)，被麥克斯韋研究時(shí)，可能大眾也覺(jué)得這跟我沒(méi)啥關(guān)系。然而，當(dāng)電能最終進(jìn)入到應(yīng)用領(lǐng)域，給全世界所有人的生活帶來(lái)了無(wú)法想象的變化。
同樣的還有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能、量子計(jì)算這些，那些領(lǐng)域的專家們?cè)缭谏鲜兰o(jì)60年代就已經(jīng)開(kāi)始研究，只是現(xiàn)在終于到了應(yīng)用階段，到了瓜熟蒂落的收獲季節(jié)，許多認(rèn)才開(kāi)始恍然大悟：啊原來(lái)XX技術(shù)好厲害，好牛逼??！
他們并不知道，已經(jīng)有多少科學(xué)家和先驅(qū)者們，付出了多少心血。
就拿這次雙子星合并引力波事件而言，中國(guó)的團(tuán)隊(duì)也默默參與其中。LIGO的團(tuán)隊(duì)，就有清華大學(xué)信息技術(shù)團(tuán)隊(duì)的助力。
在國(guó)內(nèi)，中科院南京紫金山天文臺(tái)就對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。
在南極，中國(guó)南極巡天團(tuán)隊(duì)利用昆侖站第2臺(tái)望遠(yuǎn)鏡AST3-2，對(duì)雙中子星合并事件進(jìn)行了觀測(cè)。
在太空，我國(guó)第一顆空間X射線天文衛(wèi)星——慧眼HXMT望遠(yuǎn)鏡，也對(duì)此次事件發(fā)生進(jìn)行了成功的監(jiān)測(cè)。
未來(lái)，中國(guó)自己探測(cè)引力波的頂級(jí)項(xiàng)目：天琴計(jì)劃也將一步步完成。和LIGO相比，天琴計(jì)劃更是直接用衛(wèi)星在太空中進(jìn)行觀測(cè)。
科學(xué)界前輩們今天的努力，也許對(duì)當(dāng)下的普通人沒(méi)有什么意義，但是也許十幾年，幾十年后，就會(huì)讓人類過(guò)得更好，會(huì)讓人類的子孫后代過(guò)得更幸福。
曾經(jīng)我們漠視過(guò)，落后過(guò)，我們失去了探索海洋的機(jī)會(huì)，如今，我們不能再失去探索太空的機(jī)會(huì)。
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