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曹軍威

國際激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）

科學(xué)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(xué)。我是國際激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO合作組織）的中國負(fù)責(zé)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(xué)院激光干涉引力波天文臺(tái)的實(shí)驗(yàn)室，2006年回國，在清華大學(xué)創(chuàng)建了LIGO工作組，2009年我們加入LIGO。

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

今天我們想跟大家主要介紹三個(gè)方面的問題。

1.什么是“引力波”？

2.我們?cè)趺刺綔y(cè)“引力波”，為什么很難探測(cè)？

3.為什么我們認(rèn)為探測(cè)到的是“引力波”而不是其他？

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

我們直接看到的是這樣的一個(gè)波形。

這兩個(gè)波形在距離3000公里的美國兩個(gè)激光干涉引力波天文臺(tái)被同時(shí)監(jiān)測(cè)到。距離3000公里，光從一個(gè)天文臺(tái)走到另外一個(gè)天文臺(tái)的速度是10毫秒。

實(shí)際上這兩個(gè)波形它們之間相差了6.9毫秒。當(dāng)我們把一個(gè)模型平移了6.9毫秒以后，把兩個(gè)曲線重合起來，大家可以看到關(guān)鍵的部分有非常高的重合度。這個(gè)就是我們觀測(cè)到的引力波的信號(hào)。

講“引力波”的時(shí)候，我們會(huì)說聽到了宇宙的聲音。很多年前我們有了望遠(yuǎn)鏡，我們說這叫看到了宇宙。當(dāng)引力波信號(hào)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(yùn)行中，我們才有可能探測(cè)到“引力波”。

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

第二個(gè)過程是碰撞，實(shí)際上就是一個(gè)“引力波”發(fā)射的過程。

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

這個(gè)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(yùn)動(dòng)對(duì)引力場做了攪動(dòng)，引力場中間的波動(dòng)我們稱為“引力波”。

雙黑洞合并釋放“引力波”這個(gè)過程，不僅僅是兩個(gè)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(huì)釋放大量的“引力波”，我們稱為“引力場中的波動(dòng)”，這種波動(dòng)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(duì)論。

廣義相對(duì)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(gè)最基本的概念：物質(zhì)和時(shí)空是互聯(lián)的。

無論是這么大的天體還是一個(gè)人，都是一個(gè)物質(zhì)的存在。而物質(zhì)存在的同時(shí)，周圍是有時(shí)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(guān)系。為什么地球會(huì)繞著太陽轉(zhuǎn)？牛頓的解釋是因?yàn)槿f有引力。引力是一個(gè)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(gè)角度來解釋。他不相信引力的傳播會(huì)是超距作用。他認(rèn)為如果有一天太陽突然消失了，地球會(huì)怎么樣？地球可能就會(huì)飛出去。

地球怎么會(huì)知道太陽消失了呢？它為什么會(huì)飛出去？愛因斯坦就解釋，太陽如果消失了，它的引力場就會(huì)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(gè)關(guān)系叫物質(zhì)引導(dǎo)時(shí)空彎曲。

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

時(shí)空引導(dǎo)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，所以地球會(huì)圍繞太陽轉(zhuǎn)。物質(zhì)跟時(shí)空是互聯(lián)的，這個(gè)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(shí)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(cè)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(shí)空傳遞過來，到達(dá)了地球。

在廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)上，愛因斯坦于1916年預(yù)言了引力波的存在。他認(rèn)為任何加速運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)都會(huì)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(gè)引力波強(qiáng)度非常微弱，很難探測(cè)出來。

引力波會(huì)對(duì)時(shí)空產(chǎn)生什么樣的作用？在多極的情況下，它在一個(gè)方向上會(huì)拉伸時(shí)間和空間，在另一個(gè)方向上會(huì)壓縮時(shí)間和空間。

這個(gè)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(shí)候，發(fā)現(xiàn)了這個(gè)桌子的長度也變化了。引力波導(dǎo)致的是尺子的變化而不是物質(zhì)的變化。

雙黑洞合并導(dǎo)致時(shí)空彎曲，釋放出這個(gè)引力波的過程中，如果我們把時(shí)空的效果再加進(jìn)去，會(huì)是一個(gè)什么樣的情況？

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

大家能看到不僅僅是兩個(gè)物質(zhì)間的運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上是它們時(shí)空之間的相互作用。

當(dāng)時(shí)空的彎曲作用逐漸接近，進(jìn)入到非常劇烈的一個(gè)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(gè)黑洞并合在了一起。這就是我們探測(cè)到的過程。

為什么引力波很難探測(cè)？

一是因?yàn)橐Σㄔ淳嚯x我們很遠(yuǎn)，二是即便有引力波，它跟物質(zhì)的相互作用極小，一個(gè)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(gè)氫彈的爆炸，所產(chǎn)生的引力波的量級(jí)是10的負(fù)27次方時(shí)空上的變化，這是我們無論如何也探測(cè)不到的。

必須有大質(zhì)量天體的極端運(yùn)動(dòng)，才能產(chǎn)生足夠讓人類現(xiàn)在能探測(cè)到的引力波。這個(gè)量級(jí)有多少？

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

為了探測(cè)到這個(gè)信號(hào)，我們建造了一個(gè)激光干涉引力波天文臺(tái)，它臺(tái)的臂長有4公里長，兩個(gè)臂是垂直的，都有4公里。這里能看到光學(xué)的激光器件，信號(hào)是從這里被探測(cè)到。

這個(gè)天文臺(tái)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(duì)等長，那在成像儀上就沒有信號(hào)。

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

時(shí)空都是相對(duì)的，唯有光速是絕對(duì)的，所以我們要借助激光這個(gè)媒介來測(cè)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(shí)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(duì)時(shí)空進(jìn)行攪動(dòng)的話，它就會(huì)不斷地釋放出引力波，這個(gè)引力波是在物質(zhì)周圍，跟物質(zhì)聯(lián)系在一起。

旋轉(zhuǎn)越快、越近，引力波放出的能量就越大。最終這兩個(gè)黑洞并合在了一起。

經(jīng)過我們后面的推算，我們探測(cè)到的這個(gè)引力波信號(hào)，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(gè)過程只有一秒的時(shí)間。

而我們就在這一秒的之前的一個(gè)禮拜，把兩個(gè)天文臺(tái)做好了，剛剛好可以達(dá)到能探測(cè)到它的精度。

所以你說幸運(yùn)不幸運(yùn)？你說美不美？

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

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

大家可以想象這個(gè)量級(jí)：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(gè)太陽質(zhì)量的能量，在不到一秒鐘的時(shí)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(jī)會(huì)在不到1秒的過程中捕捉到它、探測(cè)到它，這就是事件全過程。

為了做到這件事，我們的探測(cè)器達(dá)到了很多人類所能達(dá)到的技術(shù)極限。

第一是探測(cè)臂外面有一個(gè)罩，里面是一個(gè)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(gè)這種真空系統(tǒng)，它們?cè)谥虚g交叉了一下。因?yàn)檎婵漳鼙苊飧鞣N分子運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)精密測(cè)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(yùn)動(dòng)鏡面開始變形，而必須排除各種干擾，我們才能探測(cè)到10的負(fù)18次方這樣的精度，所以這個(gè)鏡面也是特殊制造的。

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

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

2015年9月14日，5點(diǎn)51分，這個(gè)信號(hào)被捕捉到，進(jìn)入到我們的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。

9月14號(hào)5點(diǎn)54分，在3分鐘之后，我們?cè)诰€的程序流水線就發(fā)出了警告，告訴我們有這樣一個(gè)信號(hào)值得關(guān)注。

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

發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)天文臺(tái)捕捉到這樣的能量變化，而且時(shí)間差距在10毫秒以內(nèi)，我們就把這個(gè)信號(hào)提取出來。認(rèn)為這可能是一個(gè)引力波信號(hào)。

前面我們既講了什么叫引力波的基礎(chǔ)理論，又講了我們?cè)趺刺綔y(cè)到引力波。下面我就講一下，為什么我們這么確信這個(gè)信號(hào)就是個(gè)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(hào)的背景，右邊這個(gè)點(diǎn)就是我們探測(cè)到的信號(hào)。

探測(cè)到的信號(hào)，遠(yuǎn)離我們整個(gè)數(shù)據(jù)的背景，遠(yuǎn)離的程度是多少？它的信噪比在23以上，它在天文上的標(biāo)準(zhǔn)顯示度達(dá)到了5.1σ值。在天文上，5以上我們認(rèn)為就是一個(gè)新發(fā)現(xiàn)。

我們沒有機(jī)會(huì)對(duì)黑洞放出的引力波做實(shí)證的對(duì)比，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在還沒有任何方式能觀測(cè)到黑洞。那么我們做了一個(gè)仿真的對(duì)比。

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

大家能看到這兩個(gè)曲線的相似度在99%以上。在旋進(jìn)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(gè)普通的噪聲所能偽裝出來的信號(hào)，一個(gè)噪聲想偽裝成這樣的一個(gè)信號(hào)的概率，20萬年才會(huì)有一次。這件事加強(qiáng)了我們的信心。通過這樣一個(gè)對(duì)比，我們非常有信心：這是一個(gè)引力波的信號(hào)。

這項(xiàng)工作，有來自全世界一百多個(gè)科研機(jī)構(gòu)的上千名科學(xué)家參與。從90年代開始建設(shè)天文臺(tái)，到現(xiàn)在探測(cè)到引力波，歷經(jīng)20余年，清華大學(xué)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(zhǔn)確的概括了：

引力波的探測(cè)，是愛因斯坦在1915年提出的廣義相對(duì)論在最極端最嚴(yán)格情況下的一個(gè)驗(yàn)證。等于說是填補(bǔ)了廣義相對(duì)論四大驗(yàn)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(xué)的一個(gè)新時(shí)代。

未來的工作很簡單，這張圖標(biāo)識(shí)了我們用兩個(gè)天文臺(tái)來定位引力波源的一個(gè)精度。

這個(gè)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(xué)的研究。

未來我們要建設(shè)全球的引力波探測(cè)網(wǎng)絡(luò)，這樣的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)在美國已經(jīng)運(yùn)行，在歐洲和日本建設(shè)，甚至在印度也開始籌劃，中國也在緊鑼密鼓的計(jì)劃中國主導(dǎo)下的引力波天文臺(tái)的建設(shè)。

很多人都問我，你這個(gè)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(shí)意義上能掙錢的應(yīng)用。但是我想最起碼在剛才的幾十分鐘里，它給我們了一個(gè)機(jī)會(huì)，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(gè)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(fù)18次方的量級(jí)上探測(cè)到引力波的存在。

實(shí)際上我想講的并不是自然有多神奇，我更想強(qiáng)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(yù)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(cè)出來。

所以我想到底美不美，大家每個(gè)人心中都有你們自己的一個(gè)答案。

很多人也問我，到底時(shí)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(yuǎn)航的星艦文明，它將會(huì)回想和2016年2月11號(hào)這一天，人類探測(cè)到引力波。

這是一個(gè)歷史的起點(diǎn)，而不是終點(diǎn)。

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