引力波研究科學(xué)家：引力波究竟是如何被探測(cè)到的，為什么值得我們淚流滿面？

按：作者@Jing Ming，少數(shù)引力波研究“圈子”里的華人科學(xué)家之一。本文由作者授權(quán)發(fā)布雷鋒網(wǎng)，如已獲授權(quán)，也請(qǐng)標(biāo)明出處（知乎）和作者。

現(xiàn)在是德國時(shí)間2016年2月11日晚上8點(diǎn)（北京時(shí)間2016年2月12日凌晨4點(diǎn)左右）。我剛剛結(jié)束我們所（AEI）的記者招待會(huì)回到家。正如我在評(píng)論區(qū)所說，當(dāng)LIGO的主任David在華盛頓會(huì)場(chǎng)上來就宣布：“Yes! We did it!”的時(shí)候，AEI會(huì)場(chǎng)不少同事留下了眼淚，其中包括我們所長：

堂堂男子漢很少哭，我當(dāng)時(shí)心中忽然暖流涌動(dòng)，但還是強(qiáng)忍住沒哭。那是一種強(qiáng)烈的感動(dòng)，感動(dòng)到想哭的感覺。整個(gè)新聞發(fā)布會(huì)上，我一直強(qiáng)忍著。

發(fā)布會(huì)結(jié)束我們喝香檳，相互祝賀，我還很賤兮兮的問了幾個(gè)同事哭了沒有，然后很自豪地說自己沒流淚。

剛剛回到家門口，拿鑰匙開門的時(shí)候，那種感覺又來了，特別強(qiáng)烈，我哆嗦地打開門，沖進(jìn)臥室，我再也沒忍住，嚎啕大哭了幾分鐘。

好幾年都沒哭過的我完全沒想到：原來在這件事上，我會(huì)變了個(gè)人似得那么的感性和情緒化。

剛玩知乎不久，周末早晨慵懶的躺在床上刷知乎。看到知乎后除了吃驚之外有點(diǎn)開心，想不到國內(nèi)公眾對(duì)“引力波”這個(gè)很小眾的方向也有關(guān)注，作為少數(shù)幾個(gè)引力波研究“圈子”里的華人之一，我很想來談一下這個(gè)問題，希望借此可以讓更多的人了解這個(gè)方向。之前我很多次給身邊對(duì)這個(gè)問題感興趣的親友解釋過“我們做的是什么”，所以我能夠用通俗、非專業(yè)的詞匯描述，結(jié)合自己的體會(huì)給大家講下，引力波這個(gè)學(xué)科的發(fā)展歷史、物理意義、研究現(xiàn)狀等等方面。由于純手打，可能要分幾次寫才可以寫完，希望大家支持（雷鋒網(wǎng)會(huì)有系列更新）

對(duì)方這方面特別感興趣的同學(xué)，推薦大家看一本書：KIP寫的黑洞與時(shí)空彎曲（有中文譯本），寫的非常非常好，通俗易懂。曝一張我和Kip Thorne三個(gè)月前的一張合影：

1、 什么是引力波？

1915年，愛因斯坦的廣義相對(duì)論提出之后，這個(gè)描述“時(shí)空和物質(zhì)”理論在很多地方受到實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。人們?cè)诖_鑿的實(shí)驗(yàn)證據(jù)下，一次又一次的被這個(gè)偉大理論的深刻與正確而震驚。這好比是這樣一種感受：“啊~你們說這個(gè)世界和這個(gè)宇宙這這樣的那樣的，太不可思議了吧！和我體會(huì)到的感覺完全不一樣啊！你們肯定瞎扯，我根本不信！”然后廣義相對(duì)論在各個(gè)方面被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，人們的感受慢慢地開始改變，慢慢接受這個(gè)事實(shí)：我們這個(gè)世界和我們本來認(rèn)為的不一樣。人們也漸漸體會(huì)到原來這個(gè)世界比我們本來以為的地深刻的多。

感興趣的同學(xué)可以看下面這個(gè)，廣義相對(duì)論的驗(yàn)證：廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

廣義相對(duì)論的正確性已經(jīng)毋庸置疑，但是，作為廣義相對(duì)論的一個(gè)重要預(yù)言——引力波，卻遲遲沒有發(fā)現(xiàn)。把廣義相對(duì)論作為人類科學(xué)圣經(jīng)的科學(xué)家們上火了，他們堅(jiān)信，引力波是一定存在的，為了探測(cè)到這個(gè)引力波，幾代科學(xué)家們做出了很多嘗試和努力（這個(gè)具體我們后面章節(jié)再說）。那么這個(gè)神秘的引力波，到底是啥玩意呢？

用最簡單的一句話來描述，引力波是“時(shí)空的漣漪”。聽起來好玄乎啊，什么是“時(shí)空的漣漪”？容我慢慢道來：

相信有不少同學(xué)對(duì)廣義相對(duì)論不是很了解。來，不慌~這里你花幾分鐘就可以“學(xué)會(huì)”廣義相對(duì)論，然后有了理論的武裝，你就可以輕松理解本文里的很多事情啦。

要理解廣義相對(duì)論，你只需要知道兩句話，第一句相信大家都聽說過：

1、空間三維+時(shí)間一維，這樣時(shí)空就是四維。時(shí)空就是時(shí)間加空間，是一個(gè)整體。

比如：你就處在一個(gè)時(shí)空里。因?yàn)椋藭r(shí)此刻（時(shí)間），你一定在某個(gè)地方（空間）讀這句話。
同樣，人們的宇宙也是時(shí)間加空間，所以宇宙就是四維時(shí)空。

第二句話就厲害了啊！大家看到后就知道廣義相對(duì)論講得是什么了！

2、時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)； 物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲

spacetime tells matter how to move; matter tells spacetime how to curve

恩，很簡單吧，廣義相對(duì)論就是具體說了時(shí)空是告訴物質(zhì)怎么運(yùn)動(dòng)，以及，物質(zhì)是讓時(shí)空怎么彎曲的這么一個(gè)理論。這樣也隱含了這么個(gè)意思：物質(zhì)（有質(zhì)量的東西，可能是能量，因?yàn)槟芰恳灿匈|(zhì)量）如何在它的時(shí)空里運(yùn)動(dòng)，取決于它所處的時(shí)空性質(zhì)。另一方面，只要有物質(zhì)存在的時(shí)空，就會(huì)彎曲。彎曲程度、怎么彎曲，取決于它肚子里的物質(zhì)質(zhì)量大小以及分布。

看，其實(shí)不用管那些煩人的數(shù)學(xué)公式，我們也可以從根本上理解這門“深刻”的理論對(duì)嗎？好的，大家既然已經(jīng)理解相對(duì)論了，那現(xiàn)在就可很輕松地理解引力波了~^^~

先看一個(gè)圖：

兩個(gè)黑黑的就是黑洞，黑洞是質(zhì)量很大很大的天體。由于質(zhì)量很大很大，根據(jù)“物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲”，他周圍的時(shí)空會(huì)一定彎曲得很厲害是。時(shí)空不彎曲的時(shí)候就像一汪平靜的湖水，你在上面輕輕放上一個(gè)皮球，皮球下面的水面是一個(gè)弧形的吧，這就和黑洞存在、附近時(shí)空彎曲一個(gè)道理。光有一個(gè)皮球停在水面上，水面還是很平靜。但是如果有兩個(gè)皮球像圖中兩個(gè)黑洞那樣彼此環(huán)繞運(yùn)動(dòng)著，那就不得了啊，水平會(huì)泛起陣陣漣漪。

同志們！水面是時(shí)空的話，那水波就是引力波！不要把引力波理解成引力的波，引力波的本質(zhì)是時(shí)空的漣漪，是時(shí)空的波動(dòng)！腫么樣？是不是感覺一下子深刻了許多？我一直都覺得，越深刻的東西，越是那么平易近人、那么容易理解。

細(xì)心的同學(xué)可能已經(jīng)看出來引力波產(chǎn)生的前提是什么了，是的，就是物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。物質(zhì)質(zhì)量越大，運(yùn)動(dòng)的越劇烈，對(duì)這個(gè)時(shí)空的擾動(dòng)就越大，引力波就越強(qiáng)。

黑洞是質(zhì)量多大的天體啊，這兩個(gè)大家伙跳著探戈，時(shí)空不被他們攪得天翻地覆才怪呢。

那~那~你們?cè)趺催€沒有探測(cè)到引力波？

同學(xué)你問得好，問的我們無地自容，但又有點(diǎn)小委屈，真想嗷一句：皇上，臣妾做不到啊！

2、 探測(cè)引力波的意義

注：本節(jié)可能會(huì)涉及一些別的學(xué)科的知識(shí)，如果表述不正確，請(qǐng)大家指出。

引力波界大佬之一Bernard Schutz上幾個(gè)月前退休。四年前，他曾在北京大學(xué)做學(xué)術(shù)報(bào)告時(shí)發(fā)表感慨：我們花了幾十億美元找引力波，還是沒找到，有時(shí)候我晚上碎覺想想，我怎么能和老婆睡自己床上呢？我TM應(yīng)該睡監(jiān)獄里啊。

聽著大老板的這番話，當(dāng)時(shí)在座很多人人包括我都會(huì)心一笑，多半把他的這番話當(dāng)成是玩笑話。但是后來自己進(jìn)入了和這個(gè)研究領(lǐng)域，成為他團(tuán)隊(duì)下的一份子后，才真正明白引力波探測(cè)的艱難。善良的科學(xué)家們，花著大把納稅人的錢去找引力波，半個(gè)世紀(jì)過去了，我們依然“一無所獲”，有點(diǎn)愧疚也是情有可原。

引力波探測(cè)對(duì)于物理、對(duì)于我們加深對(duì)這個(gè)宇宙起源、這個(gè)時(shí)空本質(zhì)的理解是非常非常重要的。它的初衷可能只是驗(yàn)證、或者否定相對(duì)論的正確性，但是他的物理意義是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這個(gè)。毫不夸張地說，未來由引力波探測(cè)帶來的新的發(fā)現(xiàn)，拿20個(gè)諾貝爾都輕輕松松。在后面的章節(jié)，我會(huì)具體提到引力波對(duì)物理各個(gè)方面的意義，為什么我們?cè)敢饣◣资畠|美元（甚至上百億），去研究、去探測(cè)一個(gè)看似和我們生活沒什么關(guān)系的東西。但是在本節(jié)，我很想從另外一個(gè)角度來說它的意義，我想講一個(gè)激動(dòng)人心的故事，一個(gè)你我都參與其中的故事，一個(gè)我們這代人都值得驕傲的故事。

恩，引力波的意義這件事情，我想還是得從138億年前說起，大家搬好小馬扎聽我慢慢道來：

138億年前，那一團(tuán)體積有限（可以想象成網(wǎng)球大小），密度溫度極高的“東西”爆炸了。這絕對(duì)是宇宙有史以來最重要的一件事情，因?yàn)檫@次爆炸，不僅誕生了你和我，還產(chǎn)生了時(shí)間和空間。大爆炸的那一刻，宇宙，誕生了。

大爆炸之后的整個(gè)宇宙是還是一片漆黑。隨著宇宙越來越大，溫度迅速降低，直到38萬年后，溫度終于低到一定程度，光子開始退耦。宇宙的第一縷光誕生了！
宇宙的第一縷光便是宇宙微波背景輻射（CMB），這個(gè)的發(fā)現(xiàn)又是另一個(gè)可以讓人會(huì)心一笑的故事，這里就不展開了。

宇宙的演化宇宙的演化

宇宙微波背景輻射，你看到的這個(gè)就是宇宙的第一縷光，它來自138億年前，或者說來著138億光年遠(yuǎn)的地方。宇宙微波背景輻射，你看到的這個(gè)就是宇宙的第一縷光，它來自138億年前，或者說來著138億光年遠(yuǎn)的地方。

“等等”，臺(tái)下的聽眾不滿意了：“我們是來聽引力波的故事的，你扯什么CMB？”大家不要急嘛，宇宙中的任何故事都是一環(huán)扣一環(huán)，相互聯(lián)系的。來，下面我們來次時(shí)空穿越，從那遙遠(yuǎn)的138億年前，來到五億多年前的地球。

那個(gè)時(shí)候的地球，熱鬧極了，有古生物專業(yè)的同學(xué)對(duì)這個(gè)應(yīng)該很熟悉吧。那個(gè)時(shí)候被稱為寒武紀(jì)，在距今約5.3億年前，在2000多萬年時(shí)間內(nèi)地球上突然涌現(xiàn)出各種各樣的動(dòng)物，它們不約而同的迅速起源，形成了多種門類動(dòng)物同時(shí)存在的繁榮景象。寒武紀(jì)生命大爆發(fā)是古生物學(xué)和地質(zhì)學(xué)上的一大懸案，目前對(duì)為什么生物種類集體出現(xiàn)甚至爆發(fā)還沒有一個(gè)統(tǒng)一的解釋。總之，那個(gè)時(shí)候生物瘋狂地進(jìn)化著，不適應(yīng)環(huán)境的迅速被淘汰，更強(qiáng)的生物取而代之。在這段時(shí)間里，有些生物的眼睛進(jìn)化出來了。下面我們隆重請(qǐng)出本節(jié)主角——奇蝦小朋友出場(chǎng)！

奇蝦（Anomalocaris）奇蝦（Anomalocaris）

腫么樣？奇蝦是不是很Q很萌？可不要被它可愛的外面所欺騙哦，它身長可達(dá)兩米，非常兇猛：

引用自百度百科：

它有一對(duì)帶柄的巨眼，一對(duì)分節(jié)的用于快速捕捉獵物的巨型前肢，美麗的大尾扇和一對(duì)長長的尾叉。它雖不善于行走，但能快速游泳。25厘米直徑的巨口可掠食當(dāng)時(shí)任何大型的生物，口中有環(huán)狀排列的外齒，對(duì)那些有礦化外甲保護(hù)的動(dòng)物構(gòu)成了重大威脅。這是一種攻擊能力很強(qiáng)的食肉動(dòng)物，它的個(gè)體最大可達(dá)2米以上，而當(dāng)時(shí)其他大多數(shù)動(dòng)物平均只有幾毫米到幾厘米。

奇蝦作為當(dāng)時(shí)海里的霸主，能夠統(tǒng)治海洋幾千萬年，除了他的強(qiáng)大的身體之外，還得益于他頭頂那對(duì)黑溜溜的大眼睛。要知道，在寒武紀(jì)，眼睛才開始進(jìn)化，很多生物沒有眼睛呢（可能只有感光細(xì)胞），有些生物雖然有眼睛，但是因?yàn)檫M(jìn)化不夠完全，所以視力很模糊，只能看到隱隱約約地看到環(huán)境物體的輪廓，所以當(dāng)捕食者朝它靠近時(shí)，它完全反應(yīng)不過來。奇蝦，作為成功的捕食者，在這場(chǎng)“雷達(dá)軍備競(jìng)賽”中一直遙遙領(lǐng)先，它相對(duì)于當(dāng)時(shí)的大多數(shù)生物，率先進(jìn)化出了，可以真正“看到”東西的眼睛！

眼睛的發(fā)展本身是一個(gè)很復(fù)雜的課題，它游一開始的那些感光細(xì)胞開始進(jìn)化，逐步逐步形成了類似于現(xiàn)代生物的那種眼睛。我們姑且把奇蝦小朋友作為第一種有“復(fù)雜”眼睛的生物。

大家來算算：

138億年前：第一縷光
45億年前：地球誕生
36億年前：地球生命誕生
5.3億年前：有眼睛的奇蝦終于可以看到存在了一百億年的光

那個(gè)時(shí)代的生物，從某種角度上來說，是值得驕傲的！他們作為第一批地球生物，看到了那溫暖明媚的——光！從此，視覺成為了許多生物，包括人類的最重要的感覺之一。

好了好了，讓我們回到物理，回到時(shí)空，回到引力波當(dāng)中來。其實(shí)，我在生活中，被很多次地問過：你們探測(cè)這個(gè)引力波有什么用呢？每次我都可以回答得很好，哪怕對(duì)方完全是物理零基礎(chǔ)的文科妹子，因?yàn)橛袝r(shí)候我不講物理，我講這個(gè)奇蝦的故事。

引力波用粒子的角度去理解就是引力子，和光子的理解方式類似。但是不同于光子在宇宙38萬年誕生后才產(chǎn)生，引力子早在宇宙大爆炸之后僅僅0.0000....0001（里面35個(gè)0）秒就先退耦了，存在于這個(gè)宇宙中，這也被稱為原初引力波。

之后的一百多億年的時(shí)間里，除了那些原初引力波，宇宙中任何物體只要運(yùn)動(dòng)，都會(huì)輻射引力波。兩個(gè)黑洞共舞會(huì)釋放引力波，超新星爆發(fā)會(huì)釋放引力波，月亮繞著地球會(huì)釋放引力波，悟空揮動(dòng)起金箍棒來也會(huì)釋放引力波，你在路上和心儀的妹子擦肩而過時(shí)候，除了你的砰然心動(dòng)，你，還是在釋放著你的引力波。

對(duì)啊，你說對(duì)了，引力波就是另一種光，這種“光”的本質(zhì)是時(shí)空的波動(dòng)，但是還是可以把它理解成除了電磁波（光）之外的令一種光。

神說：要有光。

于是奇蝦在133億年后看到了第一種光。

138億年后

今天，或者說即將，我們就可以看到第二種光！

這絕對(duì)是繼奇蝦同志之后五億年以來最重要的時(shí)代！

這個(gè)“即將”是多久？業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為引力波將在4年內(nèi)被探測(cè)到，同學(xué)們啊，才四年，其實(shí)就算預(yù)計(jì)的四年內(nèi)探測(cè)不到，那引力波被探測(cè)到也是這個(gè)時(shí)代要發(fā)生的事情。作為恰巧生處于這個(gè)時(shí)代的每一個(gè)人，都應(yīng)該為這個(gè)時(shí)代而驕傲，為人類而驕傲，為地球生命而驕傲。這個(gè)時(shí)代的地球人類，代表著地球生命，可以驕傲地宣布：我們不再失明，我們看到了，我們看到了那第二種光！

這里想插一句，小時(shí)候特別喜歡看圣斗士。小學(xué)時(shí)候經(jīng)常被里面的什么小宇宙第六感什么的撩得亢奮。是的，引力波探測(cè)到了后，人類就會(huì)擁有正真的第六感，那種感知時(shí)空漣漪的能力。在科學(xué)上，人類的這種第六感，無疑是人類的一雙“天眼”，可以窺探出許多我們之前看不到的東西，比如大爆炸之后38萬年之前的宇宙，比如黑洞的并和等等。有了這雙天眼，宇宙的很多奧秘便可盡收眼底！

• 為什么業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為是四年內(nèi)探測(cè)到？

我會(huì)在后面章節(jié)具體說這個(gè)，這里先簡單介紹下為什么。

說2019年可以探測(cè)到是因?yàn)橐Σǖ闹饕綔y(cè)器ligo在近幾年可以完成升級(jí)，完成升級(jí)之后的ligo具有更高的靈敏度，結(jié)合天體物理的各種模型和數(shù)據(jù)，我們探測(cè)到引力波事件可以增加到幾十次每年。如果那時(shí)還沒有探測(cè)到引力波，那不是廣義相對(duì)論出問題了就是天體物理的很多理論出問題 當(dāng)然也有可能是我們工作沒做好；） 另外我想提一下bicep2，其實(shí)bicep2的結(jié)果被普朗克數(shù)據(jù)否定也在預(yù)料之中。不過就算bicep結(jié)果被后來的普朗克數(shù)據(jù)證實(shí)，也稱不上是探測(cè)到了引力波，只能算引力波存在的一個(gè)間接證據(jù)。直接探測(cè)引力波 主要是靠以ligo為首的幾個(gè)大型引力波探測(cè)激光干涉儀。

• 為什么探測(cè)引力波這么困難？

   ——引力波把黑洞并合的交響曲帶給地球，物理學(xué)家設(shè)計(jì)出儀器來尋找那些波，傾聽他們的音樂。

圖：蟹狀星云中子星。距離我們6500光年，每秒自轉(zhuǎn)30.3次，同時(shí)釋放著強(qiáng)大的X射線，伽馬光以及引力波。

一切看似都是這么美好，是啊，多簡單呀，只要廣義相對(duì)論說他就是存在的，那努力造儀器找不就完了嗎？可是很可惜，我們的宇宙中有一樣?xùn)|西特別特別快，還有一樣?xùn)|西特別特別小。

是滴，快的是光速，3億米每秒；小的是萬有引力常數(shù)6.674e-11牛平方米每千克。

我把這兩個(gè)數(shù)列在下面：

c=300000000(八個(gè)零)
G=0.0000000000667（11個(gè)零）

霍金在時(shí)間簡史中開玩笑說，科普書里面加一個(gè)公式，銷量就會(huì)減半。同樣我也非常不喜歡在科普文章里面列公式出來，我如果寫下下面那個(gè)公式，點(diǎn)贊會(huì)不會(huì)也減半？

文科生不要被這個(gè)公式嚇到，很簡單的都是乘除法啦，安心聽我講，很好理解的！

h0 =40×G×I×f^2×e/（c^4*D）

引力波強(qiáng)度=（40×萬有引力常數(shù)×轉(zhuǎn)動(dòng)慣量×頻率的平方×橢率）除以（光速的四次方×距離）

就是由于這兩個(gè)數(shù)（c和G），導(dǎo)致我們探測(cè)引力波是那么的艱難。

我先簡單分析下里面各個(gè)量的數(shù)值：

I：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。這個(gè)基本和物體的重量和形狀有關(guān)，簡單說，質(zhì)量越大的物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，比如中子星，有1.4個(gè)太陽質(zhì)量，他的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是一個(gè)很大的很大的數(shù)，大約1e38（嗯，很驚人，一共38個(gè)0！）正是由于中子星轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較大，所以我們可以把它作為一個(gè)很好地引力波源，而不是在玩呼啦圈的你。

f：頻率。中子星轉(zhuǎn)得越快，引力波越強(qiáng)。不過我們已知的中子星的轉(zhuǎn)速，最快也就每秒鐘1000下。所以我們?cè)谶@項(xiàng)上又賺了6個(gè)0！

e：橢率。中子星不是一個(gè)絕對(duì)完美的球體，如果絕對(duì)完美，它轉(zhuǎn)起來對(duì)時(shí)空是沒有擾動(dòng)的，也不會(huì)釋放引力波。一般認(rèn)為他的橢率大概在1e-6。恩，我們?cè)谶@個(gè)參數(shù)上損失了6個(gè)0.

D：距離。這個(gè)不得了，大家知道宇宙其實(shí)是很空曠的，恒星間距離都已以光年計(jì)算。假設(shè)那個(gè)中子星離我們1000光年。那么就是1e19米。這次我們虧不少，幸好有前面的38個(gè)0頂著。

同學(xué)們，不要忘了，我還沒有計(jì)算萬惡的c和G，關(guān)鍵這c還是四次方的！
那引力波強(qiáng)度現(xiàn)在是幾個(gè)0了？1+38+6-6-19-11（引力常數(shù)）-8×4（光速）=......-23。

天啊，此役慘敗！就算我們用中子星這么完美的天體引力波源，我們要找的引力波強(qiáng)度才0.00000000000000000000001（1e-23）。

這個(gè)引力波的強(qiáng)度的影響，相當(dāng)于1公里的長度上有了1e-19米的變化！

這個(gè)是什么概念?

最小的原子氫原子的半徑：1e-10m
它的原子核半徑：1e-15m。

現(xiàn)在，自然告訴我們，如果想看到引力波，我們需要在1公里的長度上找到那小于原子核半徑一萬倍的空間變化，這......您不是開玩笑嘛？

可以想象當(dāng)年引力波科學(xué)家發(fā)現(xiàn)引力波是這么小的一個(gè)微弱的量時(shí)候，內(nèi)心是多么絕望！甚至在廣義相對(duì)論提出后的二三十年中，沒人敢嘗試找這么微小的的一個(gè)量。

所以，別扯什么精密機(jī)床，分子拼接這種“高精度”的實(shí)驗(yàn)或者設(shè)備。我可以無比肯定的說，這個(gè)世界上，空間尺度最精密的實(shí)驗(yàn)，毫無疑問就是引力波探測(cè)。這是自然迄今為止給予人類最高難度的挑戰(zhàn)，一度被認(rèn)為是人類現(xiàn)有技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的挑戰(zhàn)。想要激發(fā)小宇宙獲得第六感，自然給我們的要求就是：你要先完成超神之舉。

如果引力波可以被人類探測(cè)到，我想用我最喜歡電影之一《致命魔術(shù)》中的一句臺(tái)詞表達(dá)我們的心情：

引力波探測(cè)有多難？很難很難很難，引力波探測(cè)是一個(gè)世界性的大項(xiàng)目，集合和人類在物理、工程、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)方面最先進(jìn)的理論、技術(shù)、和智慧。人類窮盡所能為了探測(cè)到那4公里長度里面小于原子核尺度的那個(gè)時(shí)空漣漪。關(guān)于探測(cè)有多艱難，之后會(huì)再更新。

3、引力波科學(xué)發(fā)展歷史

引力波的存在性，在廣義相對(duì)論提出之后，在上個(gè)世紀(jì)40年代曾受到不少物理學(xué)家的質(zhì)疑。雖然不久之后質(zhì)疑漸漸消去，但是當(dāng)大部分的物理學(xué)家認(rèn)為，引力波如此微弱，是不可能探測(cè)到的。第一個(gè)對(duì)直接探測(cè)引力波作為偉大嘗試的人是約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）。早在上個(gè)世紀(jì)50年代，他第一個(gè)充滿遠(yuǎn)見地認(rèn)識(shí)到，探測(cè)引力波不是沒有可能。從1957年到1959年，韋伯全身心投入在引力波探測(cè)方案的設(shè)計(jì)中。最終，韋伯選擇了一根長2m、直徑0.5m、重約1噸的圓柱形鋁棒，其側(cè)面指向引力波到來的方向。該類型探測(cè)器，被業(yè)內(nèi)稱為共振棒探測(cè)器（如下圖）：

圖：韋伯和他設(shè)計(jì)的共振棒探測(cè)器。引力波驅(qū)動(dòng)鋁棒兩端振動(dòng)，從而擠壓表面的晶片，產(chǎn)生可測(cè)的電壓。

當(dāng)引力波到來時(shí)，會(huì)交錯(cuò)擠壓和拉伸鋁棒兩端，當(dāng)引力波頻率和鋁棒設(shè)計(jì)頻率一致時(shí)，鋁棒會(huì)發(fā)生共振。貼在鋁棒表面的晶片會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)。共振棒探測(cè)器有很明顯的局限性，比如他的共振頻率是確定的，雖然我們可以通過改變共振棒的長度來調(diào)整共振頻率。但是對(duì)于同一個(gè)探測(cè)器，只能探測(cè)其對(duì)應(yīng)頻率的引力波信號(hào)，如果引力波信號(hào)的頻率不一致，那該探測(cè)器就無能為力。此外，共振棒探測(cè)器還有一個(gè)嚴(yán)重的局限性：引力波會(huì)產(chǎn)生時(shí)空畸變，探測(cè)器做的越長，引力波在該長度上的作用產(chǎn)生的變化量越大。韋伯的共振幫探測(cè)器只有2m，強(qiáng)度為1e-23的引力波在這個(gè)長度上的變化量實(shí)在太小，對(duì)上世紀(jì)五六十年代的物理學(xué)家來說，探測(cè)如此之小的長度變化確實(shí)非常困難。雖然共振棒探測(cè)器沒能最后找到引力波，但是韋伯開創(chuàng)了引力波實(shí)驗(yàn)科學(xué)的先河，在他之后，很多年輕又富有才華的物理學(xué)家投身于引力波實(shí)驗(yàn)科學(xué)中。

在韋伯設(shè)計(jì)建造共振棒的同時(shí)期，有部分物理學(xué)家認(rèn)識(shí)到了共振棒的局限性，有一種基于邁克爾遜干涉儀原理的引力波探測(cè)方案在那個(gè)時(shí)代被提出。到了70年代，MIT的外斯（Rainer Weiss）以及馬里布休斯實(shí)驗(yàn)室的佛瓦德（Robert Forward），分別建造了引力波激光干涉儀。到了七十年代期，這些干涉儀已經(jīng)成為共振棒探測(cè)器的重要替代者。

圖：引力波激光干涉儀的工作原理

引力波激光干涉儀的基本思想，可以簡單理解為有四個(gè)測(cè)試質(zhì)量被懸掛在天花板上，一束單色、頻率穩(wěn)定的激光從激光器發(fā)出，在分光鏡上被分為強(qiáng)度相等的兩束，一束經(jīng)分光鏡反射進(jìn)入干涉儀的Y臂，另一束透過分光鏡進(jìn)入與其垂直的另一X臂。在經(jīng)歷了相同的時(shí)間之后，兩束光返回，并在分光鏡上重新相遇，產(chǎn)生干涉。

我們可以通過調(diào)整X、Y臂的長度，控制兩束光是相消的，此時(shí)光電二極管上沒有光信號(hào)。如果有引力波從垂直于天花板的方向進(jìn)入之后，會(huì)對(duì)兩臂中的一臂拉長，另一臂壓縮短，從而兩束光的光程差發(fā)生了變化，原先相干相消的條件被破壞，有一定數(shù)量的光線會(huì)進(jìn)入探測(cè)器，得到引力波信號(hào)。激光干涉儀對(duì)于共振棒的優(yōu)勢(shì)顯而易見：首先，激光干涉儀可以探測(cè)一定范圍的頻率的引力波信號(hào)一般是（20Hz-3000Hz）；其次，激光干涉儀的臂長可以做的很長，比如地面引力波干涉儀的臂長一般在km的量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過共振棒的m。

自20世紀(jì) 90 年代起，在世界各地，一些大型激光干涉儀引力波探測(cè)器開始籌建，引力波探測(cè)黃金時(shí)代就此拉開了序幕。這些引力波探測(cè)器包括：位于美國路易斯安那州利文斯頓臂長為 4 km 的LIGO（L1）；位于美國華盛頓州漢福德臂長為的 4 km 的 LIGO（H1）；位于意大利比薩附近，臂長為 3 km 的 VIRGO；德國漢諾威（Hannover）臂長為 600 m 的 GEO，日本東京國家天文臺(tái)臂長為 300 m 的 TAMA300。這些探測(cè)器在2002年至2011年期間共同進(jìn)行觀測(cè)，但并未探測(cè)到引力波。在經(jīng)歷重大改造升級(jí)之后，兩個(gè)高級(jí)LIGO探測(cè)器于2015年開始作為靈敏度大幅提升的高級(jí)探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)中的先行者進(jìn)行觀測(cè)。此外，歐洲的空間引力波項(xiàng)目eLISA和日本的地下干涉儀KAGRA 的研發(fā)與建設(shè)也在緊鑼密鼓地進(jìn)行。

圖：位于美國路易斯安那州利文斯頓附近的臂長4km的激光干涉儀引力波探測(cè)器 LIGO（L1）

左圖為位于美國華盛頓州漢福德附近的臂長4km的激光干涉儀引力波探測(cè)器 LIGO （H1），右圖為 位于意大利比薩附近，由意大利和法國聯(lián)合建造的臂長為 3 km 的激光干涉儀引力波探測(cè)器 VIRGO

圖：日本的地下干涉儀KAGRA內(nèi)部，在山頂下方1000米處。地下巖壁都用防水布包裹，因?yàn)槔锩嫠嗔恕．?dāng)時(shí)有個(gè)日本哥們?cè)趪H學(xué)術(shù)會(huì)議上做的報(bào)告簡直就是在賣萌：今天這里水很多，我擦了擦，明天那里出來?xiàng)l小溪，我把它填了......給我感覺他的整個(gè)博士階段就是在拖地。PS:后排左一是我。

一個(gè)引力波探測(cè)器造價(jià)要數(shù)億美刀，非常昂貴。肯定有不少同學(xué)會(huì)問，為什么我們要花這么多錢在全球各地建造那么多探測(cè)器呢？這是是一個(gè)非常好的問題！

前文已經(jīng)說了引力波的強(qiáng)度是那么的微弱，我們探測(cè)器必須要造得非常非常靈敏才行。靈敏到什么程度？這里我給大家講個(gè)個(gè)真實(shí)的八卦。我聽我在GEO600工作的同事說，在德國漢諾威的GEO600經(jīng)常會(huì)受到一種周期性信號(hào)，后來分析原來是遠(yuǎn)在千里之外大西洋的海浪對(duì)北歐大陸的影響。

請(qǐng)問各位同學(xué)，假如有一輛卡車在某探測(cè)器旁開過，我們?cè)趺粗牢覀儨y(cè)到的是真實(shí)的引力波信號(hào)還是噪聲呢？

最簡單最有效的解決方案，就是.....

建倆兒......

理由很簡單，引力波經(jīng)過地球時(shí)候，對(duì)所有探測(cè)器都有影響。而卡車經(jīng)過，或是海浪，或是某人在邊上放了個(gè)爆竹，只會(huì)在一個(gè)參測(cè)器上產(chǎn)生噪聲。建造引力波探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)，除了可以有效地甄別虛假信號(hào)之外，還可以更精確地測(cè)定引力波天體源的位置，分析引力波天體源的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

圖：分布在世界各地的引力波探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)

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