巴人论评：检测到“引力波”结论令人难以接受，更可能是秦皇岛地震传导波

巴人论评：检测到“引力波”结论令人难以接受，更可能是秦皇岛地震传导波

http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2016-02-13

巴人论评：检测到“引力波”结论令人难以接受，更可能是秦皇岛地震传导波

　　无论直觉还是理性都告诉我们，目前科学界的一些现象非常值得警惕。一些难以获得结果或者短期难以获得良好数据的科学研究项目，往往投资相当巨大，而且也带动了相当多人员和资源的投入，但是，这些科学研究项目要想获得观众对投入的认可和持续投资，就可能会引发一场大论战。为了平息可能的事端，甚至是出于政治方面的企图，间或阻滞他国科学研究异军突起的需要，科学研究方面玩猫腻也不是不可能存在的事情。引力波研究未必没有这样的成分。但是，历史最终会澄清谎言，不在乎当代什么人在当主角或导演。

　　黑洞碰撞才会发生引力波，听起来很高雅，实际分析起来很不可靠。首先，大家知道，既然强大理论认为引力无处不在，那么大过太阳质量很多倍的星系都是在不停运动，他们的距离都比13亿光年的黑洞还近，质量也比黑洞大很多，引力随距离质量变化，各个恒星又始终在相互错杂运动，为什么就测不到引力波动呢？其次，我们已经知道很多巨型星系之间的碰撞，它们场面那么大，质量变化和转化空前激烈，为什么就探测不到引力波呢？问题出在什么地方呢？第三，科学家所认可的黑洞本来就数目极少，黑洞中能确定为碰撞事件的就更是少之又少，这种完全可以归为玩偶然几率的做法，似乎也很不高明，因为它很难重复确证。仅凭这三点，我们就很难认定这种所谓观测到了引力波的试验结果是可以接受的，更何况黑洞至今在科学上尚无定论，一直处于反复争论之中。

　　另外一个导致获得错误结论不可回避的因素是地震。我查询了一下2015年9月14日的中国区域地震记录，当日共有四次3~5级小规模地震：即，北京时间9月14日12:40:00在四川省绵阳市北川羌族自治县（纬度31.97 经度104.28）地表下9Km处发生了里氏3.0级地震；北京时间9月14日17:45:36在云南省迪庆藏族自治州香格里拉县（纬度27.63 经度100.24）地表下11Km处发生了里氏3.6级地震；北京时间9月14日18:10:10在河北省秦皇岛市昌黎县（纬度39.72 经度118.80）地表下14Km处发生了里氏4.2级地震；北京时间9月14日18:23:41在河北省秦皇岛市昌黎县（纬度39.73 经度118.79）地表下13Km处发生了里氏3.3级地震。我们知道，中国和LIGO探测设施所在的美国区域正好分列为地球对称的两侧。美国在2015年9月14日格林尼治时间09：50：45接收到的所谓“引力波”，完全可能就是这之中发生的这些地震中某一次传导波的耦合。如将“引力波”数据采集时间精确为北京时间，特别是秦皇岛昌黎地震两者是非常接近重合的，再加上地震波传导延迟时间，云南和四川当日的地震可能对其干扰更大。

　　这就是说，LIGO探测设施完全可能是测量来自地球对称一侧地震的精密装置，也许是预报地震的好东西。从这个意义上讲那也是了不起的事件。地震波导致仪器的振动，得出的数据就误判出了一个错误结论。当然，我们可以将这组波形和这些地震波形进行比较，也许我们会更加清楚一些。是不是中国地震数据的精确性（比如时间准确性）还是有许多说法的，或许也可能有地震波中一种至今尚未发现且传播速度最快的波对LIGO探测设施发挥了主导作用。不过，该次地震的震级传到地球对称侧，也恰好符合其衰减后的程度。大家不觉得这两者之间很微妙么？我们不认为地震对仪器的干扰还比13亿光年处星体活动更弱。此外，两天后的2015年9月17日06:54:31（北京时间）又在智利发生了一场更大的地震，达里氏8.2级，强震前期地层深处的表现又与此相关否，也是很值得仔细评估。

　　科学炒作未必不包含欺诈，但是，真相最终会像乌云退散开来的太阳，始终无法遮掩。科学发展史告诉我们，不盲目迷信科学专家权威的结论，往往成为科学大发展大进步的必要依据。现代社会，信息流动越发迅速，科学研究造假正变得愈发艰难。“引力波被证明了”的意义，会否证实为一场攸关利益交易的闹剧，会否存在一个“引力波门”？也许真还值是下一个“深喉”研究。

【吴可信 2016.02.12】

相关引述

官方：LIGO直接探测到双黑洞合并产生的引力波

分别由汉福德观测站（H1，左侧）和列文斯顿观测站（H1，右侧）记录到的引力波事件GW150914 的信号。这两幅图像显示了在这两个观测站记录到的由此次事件产生的引力波波形信号如何随着时间（单位为秒）和频率（单位为赫兹）变化的情况。这两幅图形均显示GW150914的频率在十分之一秒的时间内出现从35赫兹到150赫兹的飙升。GW150914的信号首先抵达L1观测站，随后抵达H1观测站，时间间隔约1/7000秒，这与以光速传播穿越这两座观测站的情况相吻合

　　新浪科技讯北京时间2月12日清晨消息，爱因斯坦在一个世纪之前提出了广义相对论，著名的物理学家波恩将此称为是“人类思考自然的最伟大壮举”。此次发布会上，LIGO项目的科学家们主要报告了在与广义相对论有关联两个方面取得的进展：首次直接探测到引力波，以及首次观测到两个黑洞的碰撞与合并。

　　这一灾难性事件产生了被标记为“GW150914”的引力波信号，该标记非常简单明了：意思是“2015年9月14日探测到的引力波信号”。这一事件发生在一处遥远的星系，距离地球大约13亿光年。2015年9月14日这一天，两座分别设在美国华盛顿州和路易斯安那州的激光干涉引力波观测台（LIGO）设施分别检测到了这一事件产生的引力波信号。经过升级之后的LIGO设施被认为是目前世界上引力波探测领域灵敏度最高的科学设施之一。根据LIGO取得的数据估算，科学家们认为在这一黑洞合并事件的最后时刻，其产生的最强烈引力波释放的能量瞬间几乎相当于整个可观测宇宙中所有恒星释放能量总和的10倍。这项重大发现标志着天文学领域一个令人兴奋的崭新时代的开端，就在今夜，我们开启了一扇通往引力波宇宙学观测的大门。

　　基本背景信息

　　引力波是时空的涟漪，它是由宇宙中的一些最为剧烈的事件产生的，如大质量致密天体的碰撞或合并事件。引力波的存在早在1916年便已经由爱因斯坦预言，当时爱因斯坦证明了加速下的大质量物体将会扭曲时空，并产生从该源头发出的时空涟漪。这种“涟漪”将以光速穿过宇宙，携带着关于产生它们的那次灾难性事件和引力本质的珍贵信息。

　　在过去的数十年间，天文学家们已经找到大量证据证明引力波的存在，主要手段是通过引力波对银河系中近距离绕转天体运动产生的影响所开展的相关研究。这些间接研究的结果与爱因斯坦在100年前的预言吻合度相当好，如在考虑引力波带走能量的情况之后，这类天体轨道的衰减过程完全符合爱因斯坦理论的计算结果。然而，从地球上直接探测引力波的信号尽管长期以来广受科学界期待，但却一直未能实现突破。之所以科学家们如此期待这项突破，是因为这将提供对于爱因斯坦广义相对论新的，且更为直接的检验，并开启人类研究宇宙的全新大门。

这是经过简化的先进LIGO探测器（非实际比例）。对于基础设计的几项改进措施包括：一个用于在两个单臂内部来回反射激光束的光学腔，从而使引力波对激光相位的影响倍增；一台能量循环镜，作用是增加干涉仪内激光束的整体强度；一台信号循环镜，作用是进一步优化从光子探测器中提取的信号。这些增强措施使得光学腔内的激光强度提升了5000倍，并增加了信号在干涉仪内的停留时间。本图内左侧小图（a）显示的是两台LIGO观测站所处的相对方位以及朝向，并展示了光速通过这两台设施之间的距离所需要的时间。内部小图（b）展示的则是在信号被接收时两台设施内各自的设备噪音信号情况。设备噪音水平越低，探测器的灵敏度就越高。图中高企的针尖状突起显示在某些窄波段上设备噪音尤其显著

　　就在爱因斯坦预言引力波存在的同一年，另一位德国物理学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）意识到爱因斯坦的理论将允许黑洞的存在：这是一种奇异的天体，它的密度极高，引力极大，甚至连光线都将无法逃离它的束缚。尽管严格意义上来说我们并不能直接“看”到来自黑洞的光，但天文学家们早已通过对黑洞施加于其周围空间与天体的特殊效应，收集到了关于黑洞存在的大量有力证据。比如说，目前天文学家们认为在大部分成熟的星系，包括我们银河系的核心都存在着超大质量黑洞，其质量可以达到太阳质量的数百万倍乃至数十亿倍。另外同样有证据显示很多质量比这小得多的黑洞候选体（质量在数个至数十倍太阳质量之间）可能是大质量恒星死亡之后，在经历超新星爆发过程后留下的残余体。

　　除了在对黑洞间接观测方面取得的重要进展之外，我们对于黑洞这种奇异天体的理论理解也已经大大深入。比如说在过去的十年间，科学家们在双黑洞乃至黑洞合并模型研究方面就已经取得了重要的进展。这些计算机模型让科学家们得以构建精确的引力波形，也就是随着黑洞之间相互接近并最终合并的过程中，其释放出的引力波波形特征。因此，对于双黑洞合并过程的直接观测将提供一个精确检验爱因斯坦广义相对论这项预言的理想的宇宙实验室。

　　LIGO观测台

　　LIGO（激光干涉引力波观测台）是世界上规模最大的引力波观测实验室，同时也是世界上复杂程度最高的物理学实验室之一。它由两座大型激光干涉实验设施组成，两者相距数千公里，分别位于美国路易斯安那州的列文斯顿和华盛顿州的汉福德。LIGO利用光和空间所具有的基本特性开展引力波的探测工作。这一探测原理最早是在上世纪60~70年代提出来的。在2000年前后世界上先后建成多座引力波干涉仪探测设施，如日本的TAMA300、德国的GEO600、美国的LIGO和意大利的Virgo等等。在2002年至2011年间，这些探测设施进行了联合观测，但最终没有取得有价值的探测结果。而在经过大规模技术升级之后，2015年LIGO设施再次开始运行，这将是一个技术复杂程度高得多的全新全球性引力波观测网络中投入运行的第一台设施。

　　类似LIGO这样的干涉仪设施一般都会包括两条长长的“臂”（LIGO两条伸出的臂各长4公里）且互相呈直角分布，在臂的一端设有反光镜，将一束激光在其内部来回反射。因为分别位于两臂内的激光束的频率和波长等特征是完全一致的，因此当两条光线叠加时不会出现干涉条纹；而如果有引力波通过实验设施，它会导致空间本身发生拉伸或压缩，从而导致两条互相垂直的臂的长度出现差异。这样一来在其中运行的两束激光束便不再“同相”，于是在叠加时就会出现干涉条纹。这就是为何我们将LIGO为代表的这类实验设施称为“干涉仪”的原因。

　　引力波导致的空间拉伸或压缩程度与引力波本身的强度直接相关，这种空间变形通常都非常非常小。对于我们能够探测到的典型引力波信号，空间的变形幅度大约相当于一颗质子直径的万分之一不到。但LIGO实验室具有惊人的高灵敏度，它能够检测到这种程度的空间变形！

　　不过，为了能够顺利探测到类似GW150914这样的引力波信号，LIGO探测器除了必须具有惊人的高灵敏度之外，还必须能够有能力将真实的引力波信号从大量噪音信号中区分出来。这样的噪音信号有千千万万：比如由于环境变化或设备因素产生的微小扰动，这类信号很容易将科学家们苦苦寻找的真实引力波信号遮蔽掉。这也是为何LIGO会选择在两个相距遥远的不同位置分别建立两套完全一样的观测设施的原因，因为这将让我们能够排除本地仪器故障或环境因素导致的干扰信号，因为只有真正的引力波信号才会同时在两处探测设施中同时出现。当然严格来说可能会间隔千分之几秒，因为还要考虑引力波从一处设施传播到另一处设施所需要的时间。

　　另外，采用至少两个站点的理由还有很重要的一点：当引力波探测网络中包含了两台或更多探测站点之后，我们就将能够与信号源之间构成一个三角形，从而锁定发射源在天空中的位置。观测网络中参与进来的观测站点越多，信号源在天空中的位置就能被更为精确地测定。在2016年，意大利的先进“Virgo”探测器也将加入这一观测网络，而未来还将有更多的此类观测站点参与进来。

　　此次LIGO的观测结果和意义

　　在2015年9月14日格林尼治时间09：50：45（北京时间17：50：45），位于美国华盛顿州汉福德和路易斯安那州列文斯顿的LIGO探测设施均接收到一个来自GW150914的引力波信号。这一信号首先是由被称作“低延迟搜寻方法”的手段识别出来，该方法经过设计，专门用于对大量数据进行快速判别，其可以在不对信号波形进行细节识别的情况下快速判断出于引力波信号的特征。这一快速搜寻程序在相关信号数据下载后不到3分钟的时间里便识别出了可疑信号并向科学家发出了报告。随后研究人员开始对这一信号进行进一步分析并与数据库中大量可能的理论波形数据进行比对，这一过程被称作“匹配滤波”，其目的是找到与所收到的信号数据吻合度最好的波形。

　　此次获得的数据明确指向一个结论，即GW150914信号是由两个黑洞的合并过程产生的。从分析图上可以清晰看到，根据LIGO汉福德观测站所获得数据对于引力波模式的重建（灰色）与根据广义相对论原理构建的双黑洞合并释放引力波波形模式（红色）两者之间存在惊人的吻合。

　　通过将实测数据与理论波形预测进行对比，使得我们能够检验广义相对论是否能够完全描述这一事件。结果表明广义相对论完美通过了检验：我们所有的观测数据均与广义相对论的预测完全吻合。

　　我们同样也能够运用这些数据来推测产生引力波信号GW150914的天体系统的一些特征，包括这两个黑洞在相互合并之前各自的质量大小，合并后形成的单一黑洞质量大小以及这一双黑洞系统到地球的距离远近。

　　我们的分析结果显示信号GW150914是由两个质量分别为36倍以及29倍太阳质量的黑洞合并而成的，合并后形成的单一黑洞质量约为62倍太阳质量。另外，我们还推定这一合并后产生的黑洞存在自转，这种自转的黑洞最早是在1963年由数学家克尔（Roy Kerr）提出的。因此可以说，LIGO探测设施此次是探测到了发生在很久很久之前，在一个遥远星系中发生的一次重大事件！

　　如果我们将合并之前和之后的黑洞质量进行比较，就会发现这一黑洞的合并过程将大致相当于3个太阳的质量（约合600万亿亿亿千克）转化成了以引力波形式散发出去的能量，其中绝大部分在一瞬间便被辐射了出去。相比较之下，太阳每秒钟只会将自身质量的大约5万亿亿分之一转化为电磁辐射。事实上，GW150914所发出的引力波的辐射功率要比整个可观测宇宙中所有恒星和星系的光度加在一起的总和还要多出10倍。

　　我们怎么知道GW150914是一次黑洞合并事件？

　　研究人员对于GW150914信号源合并前的两个成员的质量估算让我们可以非常有信心的认为这两者都是黑洞，尤其是考虑这两者之间快速的相互绕转以及非常近的间距（参见图片）。在这张图像中，速度以光速为单位，距离则以黑洞的史瓦西半径为单位，可以看到，这两个成员天体的运动速度极快，且相互之间的间隔仅有数个史瓦西半径。

对于信号GW150914的一些关键分析结果，将重建的引力波波形信号与根据广义相对论得到的最佳理论匹配波形进行比对，覆盖该事件的三个不同阶段：相互绕转接近、合并和再次恢复平静。同时也标示出了这两个黑洞的相互间隔和速度，以及随着合并进程的进行两者发生的变化

　　这些图像展示这两个成员天体在合并之前，也就是在引力波频率为150赫兹左右的时刻，其相互间隔仅有数百千米，只有黑洞拥有足够高的密度，能够在相距如此近的情况上仍然不至于合并。而根据我们对于这两个成员天体总质量的估算，一对中子星的情况下质量是不足以解释信号的，而如果是一个成员是黑洞，另一个成员是中子星的情况下，在引力波频率还远不到150赫兹的时候就早就已经相互合并了。

　　我们能够确定GW150914是一次真实的天体物理学事件吗？

　　对于这个问题，简单的回答就是一个字：能。当然由于这是一个关键性问题，因此从LIGO科学合作组以及Virgo合作组的科学家们花费了巨大的努力来回答这个问题，为此开展了一系列独立和彻底的检验，所有结果都增强了我们对于GW150914这样信号的信心。

　　首先，正如我们之前已经指出的那样，两座LIGO观测站之间信号的延迟符合以光速先后通过这两座站点的时间差。其次，正如在图一中能够见到的那样，在汉福德站和列文斯顿站都检测到了相似的波形信号，由于这两台干涉仪的朝向几乎一致，因此这一点完全符合预期，并且此次信号的强度足够强，足以使其从背景噪音信号中凸显出来，就像在一个充满人群的嘈杂房间里突然爆发出的一阵笑声那样，清晰可闻。

　　对于背景噪音的理解对于我们的分析工作至关重要，其中牵涉到对两处站点大量各类环境数据的监测：如地面运动、温度变化以及电压震荡等等。与此同时，大量数据通道实时监控着干涉仪的状态，如检查不同的激光束是否到了正确校准等等。如果其中的任何环境或设备参数出现问题，那么此时取得的数据就会被剔除。而在此次信号被接收到时，尽管进行了大量研究核查，但并未发现存在类似的数据质量问题。

　　但或许GW150914是一次罕见的噪音起伏信号，并且碰巧正好几乎同时在LIGO的两个独立站点出现了？为了排除这种可能性，我们需要知道这样的噪音起伏信号出现的概率有多高：其出现的概率越低，则我们排除这一可能性，从而证明GW150914是一次真实引力波信号的把握就越高。

　　为了开展这一统计性分析，我们使用了在这一信号被接收到之后持续16天时间内稳定的高质量探测器数据。GW150914的确是该期间两台探测器迄今接收到的最强烈信号。随后我们在H1与L1数据间引入一系列人工时间位移，从而创造出一个长得多的数据集，以便我们能够从中寻找强度上与GW150914相近甚至更强的信号。在引入时间位移信号时，通过将其设置为大于10毫秒（以光速通过两个LIGO站点之间的距离所需的时间），我们可以确保这些人为引入的数据不会包含任何真实信号，而完全是噪音信号。此时我们可以发现，在这一长度更长的人为数据集中，有多大的概率会出现与GW150914相似的信号。这一分析结果为我们提供了出现“误报警”的概率数值：也就是一个噪音信号被误认为是真实信号的概率高低。

对双黑洞系统合并信号的搜索，定量显示了相比“假信号”的噪音背景，GW150914是多么的罕见。这一搜索得到的结论是，一个与GW150914相似的噪音信号出现的几率极低——低于每20万年一次的水平。与之相对应的，此次对引力波信号探测的置信度水平高达5个sigma

　　图片展示的是在我们的探测器数据中进行的这一数据统计分析得到的结果。黑色和紫色曲线代表的是“背景”：即我们预计在不同强度的信号情况下可能会出现的随机性噪音“事件”。而橘色方块代表的是剔除人为事件位移因素之后，我们实际观测到的情况。这张图所传递的一项关键信息是这一观测到的事件，即GW150914的信号从背景噪音信号中凸显出来的程度之高。这就意味着出现与GW150914相似的噪音信号的可能性非常非常低，事实上，我们预计出现强度与GW150914相近信号的概率大约是20万年一次！这样的“误报警率”可以用一个参数来表达：sigma值。这种方法在统计学中被广泛采用，用于估算某次探测信号的置信程度。这一过程确保GW150914是一个真实的引力波信号，其置信度超过5个sigma。

　　结论与展望

　　首次直接探测到引力波和首次观测到双黑洞合并过程都是重大的成就，但它们还仅仅代表了一个崭新天文学篇章翻开的第一页。

　　在接下来的10年里，我们将会见证“先进LIGO”观测台的进一步升级以及一个全球性探测网络的扩展，其中将会包括位于意大利境内的“先进Virgo”观测站，位于日本境内的KAGRA观测站，或许还有在印度境内建立的第三个LIGO观测站。

　　这样一个增强版的国际网络将大大改进我们锁定天空中引力波发射源位置的能力并提升对其物理参数测定的精确度。引力波天文学这一新生领域未来的前景一片光明！（晨风）

【新浪网】

引力波刷屏意义何在？中国科学家呼吁大众参与

　　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）

　　人民网北京2月12日电（记者马丽）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。这一消息迅速成为昨晚到今天被科学界刷屏的“大新闻”。

　　【证实引力波有何科学意义？】

　　LIGO科学合作组织成员之一、德国马普引力物理所、清华大学博士后胡一鸣意味深长地表示，“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。”

　　引力波的概念源于爱因斯坦的广义相对论，其中最重要的预言就是引力波的存在。根据广义相对论，引力是由于质量所引发的时空扭曲所造成，任何有质量的物体加速运动都会对周围的时空产生影响，其作用的形式就是引力波。虽然引力波无处不在，但是非常微弱，只有像超新星爆发、中子星与黑洞等天体相撞，才会产生足够强烈的引力波。

　　探测引力波不仅可以直接验证广义相对论中最重要的预言，还可以获得很多传统天文学手段无法获得的天体物理信息，研究暴涨和相变等极早物理过程，为人类开启观测宇宙的新窗口。

　　因此，世界科学界公认，引力波探测是难度最大的尖端科技之一，也是一项意义重大的物理学基础研究。作为爱因斯坦广义相对论中最重要但一直未被证实的预言，引力波是物理学王冠上最耀眼的一颗明珠，如果探测成功，将是人类认知史上具有里程碑意义的科学发现。

　　“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。”胡一鸣说。

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）

　　【各国争相探测】

　　此前，世界发达国家都在推进引力波的探测。21世纪初，美国、意大利、法国和日本等多个国家都建立了千米级的地面激光干涉仪引力波探测设施。

　　清华大学LSC研究团队由清华大学信息技术研究院研究员，清华大学天体物理中心兼职研究员，LSC理事会成员曹军威负责，研究团队还包括清华大学计算机系副教授都志辉和王小鸽等成员参与了该项目。

　　然而，由于引力波非常微弱，此前人类还未能直接探测到引力波。

　　此外，因为地面引力波探测设施会受到地面震动噪声、热噪声、引力梯度噪声等噪声的影响，探测器臂长也非常有限，因此更为微弱的低频引力波（频率10-4~10-1Hz）需要空间干涉仪进行观测。2015年12月发射的“LISA探路者”卫星正是欧洲航天局响应空间激光干涉仪的需求而设定的技术试验任务。

　　“今后将在太空测引力波。”庞之浩说。

　　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）

　　【中国70年代即试图探索】

　　据媒体报道，早在上世纪70年代，引力波探测这一被诺贝尔奖获得者杨振宁称为“投钱少，有重大科学意义”的研究领域，就曾经在中国引起过热议。但中国的研究从1998年起中断十余年。

　　2008年，在中科院力学所国家微重力实验室胡文瑞院士的推动下，中科院多个研究所及院外科研单位共同成立了科学院空间引力波探测工作组，开始探索中国空间引力波探测的可行性。这一项目被列入中科院空间科学2050年规划。在2011年前的一次香山科学会议上，与会的专家认为，探测引力波工程，将可以催生不是一个，而是一批诺贝尔奖。

　　去年7月，中山大学透露其“天琴计划”。根据设想，“天琴计划”主要将分四阶段实施：第一阶段完成月球/卫星激光测距系统、大型激光陀螺仪等天琴计划地面辅助设施；第二阶段完成无拖曳控制、星载激光干涉仪等关键技术验证，以及空间等效原理实验检验；第三阶段完成高精度惯性传感、星间激光测距等关键技术验证，以及全球重力场测量；第四阶段完成所有空间引力波探测所需的关键技术，发射三颗地球高轨卫星进行引力波探测。

　　中科院也有引力波计划。据专家在2016年第1期《国际太空》透露，中国空间科学家已提出了至2030年我国空间科学的一些相关计划和任务建议。

　　其中“黑洞探针”计划就用于回答几个重要的关于宇宙组成和演化的前沿科学问题。例如，黑洞等极端和致密天体的性质是什么？黑洞等极端和致密天体是如何和它们周围的环境相互作用的？该计划包括的项目建议为：“硬X射线调制望远镜”、“空间变源监视器”和将搭载在天宫2号空间实验室上的“伽玛暴偏振探测项目”，其中“硬X射线调制望远镜”和“伽玛暴偏振探测项目”计划于今年升空。

　　另有“天体号脉”计划旨在对天体各种波段的电磁波和非电磁波辐射进行高测光精度和高定时精度的探测，理解各种天体的内部结构和各种剧烈活动过程。该计划包括的项目建议为：“X射线时变与偏振卫星”、“爱因斯坦探针卫星”、“中国引力波计划”和拟在我国空间站上实施的“中子星极端天体物理和新技术探索任务”。

　　“天体肖像”计划则用于获得太阳系外的恒星、行星、白矮星、中子星、黑洞等天体的直接照片，星系中心、恒星形成区、超新星遗迹、喷流等结构的高清晰度照片，开展各个波段的深度成像巡天，以及绘制各个波段宇宙背景辐射的高精度天图，对理解宇宙的构成等科学问题起重要关键作用。该计划包括的项目建议为“空间毫米波VLBI 阵”和“空间甚低频射电天文台”。

　　此外还有“天体光谱”计划、“系外行星探测”计划、“太阳显微”计划、“太阳全景”计划、“链锁”计划、“微星”计划、“探天”计划、“火星探测”计划、“小行星探测”、“木星系统探测”计划、“水循环探测”计划、“能量循环探测”计划、“生物化学循环探测”计划、“轻盈”计划、“轻飏”计划、“空间基础物理”计划、“腾云”计划、“载人航天工程”科学计划等。

　　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。

　　【中国科学家呼吁大众参与】

　　“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。”胡一鸣表示，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”。同时他呼吁大众参与，“哪怕你不是物理学家，一样可以为搜索引力波做贡献！”

　　据了解，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/，公众就可以下载Einstein@Home的程序，用自己个人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”。

　　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）

【相关链接：科学家对“引力波”的相关评论】：

“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。”——马克斯·普朗克引力物理研究所（阿尔伯特·爱因斯坦研究所）所长艾伦（Bruce Allen）

“通过这项发现，我们人类开启了一场波澜壮阔的新旅程：一场对于探索宇宙那弯曲的一面（从弯曲时空而产生的事物和现象）的旅程。黑洞的碰撞和引力波的观测正是这个旅程中第一个完美的范例。”——索恩(Kip Thorne)

“引力波的直接探测实现了50年前就设定好了的伟大目标：直接探测难以捕捉的事物，更好地理解宇宙，以及，在爱因斯坦广义相对论100周年之际完美地续写爱因斯坦的传奇。” ——加州理工学院，LIGO天文台的执行官莱兹（David H. Reitze）

“这项探测是一个是时代的开始：引力波天文学研究领域现在终于不再是纸上谈兵。”——LSC发言人，路易斯安那州立大学物理与天文学教授冈萨雷斯(Gabriela González)

“在《星际穿越》和《三体》中，都不约而同地将引力波选为了未来科技发达的人类的通讯手段，这也许只能是美好的幻想，但对于天文研究而言，引力波的确开启了一扇新的窗口。吹进来的第一缕清风，就带来了一个重大的信息：极重的恒星级双黑洞系统存在并可以在足够短的时间（10亿年）内并合。这是让我们始料未及的。谁能知道在将来的更多的探测中，LIGO和一众引力波探测器能带给我们什么样的惊喜呢？” ——马克斯·普朗克引力物理研究所、清华大学博士后，胡一鸣

“不少亲朋好友问过我，你在研究些什么。我都这么回答：我们在找另一种光，一旦找到，意味着人类从此有了第六感，就像有了超能力，用一双天眼饱览神秘宇宙中无尽的奥妙。现在，我们，找到了！” ——马克斯·普朗克引力物理研究所博士生，明镜（此部分内容来源微信公号“赛先生”）

【人民网】

引力波项目研究者亲述：六年黑洞生活

　　新浪科技郑峻发自美国硅谷

　　在爱因斯坦提出引力波概念整整100年后，人类终于首次直接观测到了引力波信号，验证了爱因斯坦的预言。而这一划时代的探测发现，则来自于“激光干涉引力波天文台”(LIGO)科研项目。这一项目最初在上世纪80年代由麻省理工学院和加州理工学院共同提出，并在1992年得到了美国国家科学基金会(NSF)的资金支持。

　　随后两家学院将LIGO提升为LSC科研合作组织(LIGO Scientific Collaboration)，吸引越来越多的高校加入这个项目。如今“先进LIGO”(Advanced LIGO)项目已经包括了全球100多所高校，吸引了上千名博士投入研发，包括日本、德国、英国、意大利、澳大利亚、加拿大、中国和印度等主要国家。

　　作为美国知名高校，斯坦福大学也在后期加入“先进LIGO”项目，参与设计了项目最为核心的技术之一——减震系统。作为斯坦福大学博士，来自中国河北的化文生曾经为这个研究课题投入了整整六年时间。在引力波发现之后，心情颇为激动的他接受了新浪科技驻美记者的采访。化文生博士先后效力过谷歌、苹果、Airbnb等多家硅谷知名公司。

　　以下是经过编辑的化文生博士口述稿：

　　六年黑洞生涯

　　前两天突然收到老师的Email，叫我11号早上7:30一定要去斯坦福听LIGO的新闻发布会直播。他说不能告诉我内容，但叮嘱我一定要去。我猜一定是 LIGO 出结果了。离开 LIGO 已经10多年了。今天听完发布会，还是像孩子一样兴奋。再次想起了那些年追逐引力波的往事和那远去的青春。

　　1999年到2005年，我在斯坦福大学电子工程(EE)系就读博士，研究课题就是“先进LIGO”项目的减震系统设计。和之前“第一阶段LIGO”相比，“先进LIGO”项目有几个方面的提升：干涉仪系统、激光功率、减震系统。这三方面提升令“先进LIGO”的设计精确度比之前提升了十倍。

　　斯坦福主要参与了激光系统和减震系统的设计，减震系统大概是98年开始，主要就是我和另外一位同学负责。我做了低频减震的系统设计和控制，这是最基础的部分。这个项目也是多个高校共同推进的，因为系统设计和制造是非常复杂的，我们做的是最基础的研究。我们当时也经常去麻省理工和加州理工开会，每周都会就研究进展进行沟通。

　　我的导师是丹尼尔·德布拉(Daniel DeBra)，美国最知名的航空航天专家之一，美国科学院院士、自动控制学会(AACC)前会长。他涉及的研究成果主要有：引力探测器B(Gravity Probe-B ,GP-B)、等效原理空间试验检验(Space Test of the Equivalence Principle, STEP)以及就是LIGO。

　　我在斯坦福的实验室就像一个大黑洞。半地下的钢筋混凝土建筑。墙有一米厚。里面有半个篮球场大，十来米深，但没有一个窗户。打开灯之前就是一个巨大的黑洞。后来我才知道，这里是斯坦福线性加速器（就是出了三个诺贝尔奖的地方）的前身。

　　而且，这个黑洞旁边还有更大的一个黑洞：同样的钢筋混凝土但有一个篮球场大，20米深。里面有几个研究生在捣鼓各种各样的黑科技。因为以前这里是加速器的实验室，这两个黑洞里还残留了微弱的放射性。于是在这之后的六年，我就在带有放射性的“黑洞”里设计仪器，用来探测宇宙中遥远的黑洞放射出的引力波。

　　“先进LIGO”设施包括两个激光束，通过反射镜反射回来发生干涉。要探测到(极其微弱的)引力波，就首先需要隔离大地带来的影响，因为大地不停的在震动。举例来说，海水拍击海岸的噪音就是一个最主要的噪声源。去除各种噪声干扰，这就是减震系统的意义。其他的电磁干扰则有其他的隔离措施。

　　减震系统详解

　　我们主要用的传感器是地震仪，斯坦福购置了世界上最好的地震仪，测量大地震动之后，然后通过反推系统来消除噪声。在这个地震仪的基础上，我们进行了改动，进一步降低了噪声。

　　当时我们的研发分两步走。第一步是把减震频率做到1赫兹，第二步就是做到0.1赫兹。第一步只用了半年，我原本以为不到三年就可以毕业了，但后来发现要做到0.1赫兹困难非常大。最主要问题就是在低频的时候，传感器会有干扰；而由于等效原理的存在，这个干扰是无法去除的。

　　我们一开始想尽办法去除干扰，后来发现无法实现这个目标；光是发现干扰无法去除这个过程，我们就花费了整整一年。最后我们就只能假设这个干扰永远存在，然后怎么才能把系统做到最好，努力做到干扰存在下的系统极限。幸运的是，最后我们所能做到的技术极限正好够用了。

　　减震系统主要分为两部分，一共有七级。前三级是自动控制系统，包括传感器和动力系统。简单的说，如果传感器感受到大地向东移动，那就用动力系统把系统向西推。这就是基本原理。后面四级因为暂时缺乏先进的传感器，因此就是靠单摆原理，这最后几级的设计主要是在苏格兰的格拉斯哥做的。斯坦福做的主要是上面三级，又称为isolation；后面四级则叫做suspension。

　　我们设计的减震系统是目前技术最领先的，所有其他系统的减震能力至少比我们差十倍，某些指标可能差距百倍。举例说减震频率，一般减震系统只能做到1赫兹，但我们这个可以做到0.1赫兹，这已经是减震的极限标准了。然后是减震倍数，一般系统只能做到十倍二十倍，但我们可以做到上千倍。这是最主要的差别。

　　除了LIGO这样的科研项目，我们研发的减震技术还可以用于物理实验和精密加工等诸多商用技术上，其中就包括了芯片制造。举例来说，现在芯片的线宽越来越小，已经到了14纳米，下一代可能是9纳米，如果其中震动超过9纳米的话，那芯片就无法制造出来。而且现在系统越来越复杂，下一代可能需要紫外线或X光才能刻制，对减震的要求也会越来越高。此外，减震技术还可以用于导航系统和惯性参照系统上。

　　减震技术能够推动自动控制、传感器、测量系统等很多领域的发展，因为这项技术需要多个领域技术的共同突破才能推进，反过来也会带动诸多产业技术的深远发展。举例来说，斯坦福的激光技术可以用在激光武器、物理实验、热核反应等诸多领域，而光电接收器可以运用于太阳能采集。现在大数据里面的并行计算等技术都是LIGO项目所最先使用的。

　　科研梦想与现实

　　参与LIGO的人有一千人。之中很多人都有和我类似的苦逼撞墙，又峰回路转的经历。很多方面都现在科学技术的极限。都不易。我后来毕业后，去了谷歌当码工，养家糊口，忘记梦想。然后，十年中在硅谷大小公司辗转，码工至今。直到听到LIGO测到引力波的消息。蓦然回首，青春不再。

　　最感慨的是LIGO前后40年，一千多人参与，不但印证了老爱的理论，还带动了激光、材料、光学、工程、计算机等诸多学科前沿的发展。很多LIGO的技术会对，或者已经对半导体制造、能源、材料、大数据等实用领域产生深远影响。但LIGO总共只花了6.2亿美元。相比那些做个应用就动辄10亿美元的独角兽初创公司，让人唏嘘不已，慨叹不公。

　　我觉得，现在很多人越来越急功近利，都看着眼前的利益，而忽视了推动人类长远进步的项目。这是件悲哀的事情。我做了很久LIGO的项目，但为了养家糊口也不得不去做码工。斯坦福读博士后年薪才5万美元，去谷歌则是好几倍的待遇。虽然是比做科研挣钱多，但我觉得码工生活没有什么技术含量。

　　我同学有的坚持科研，有的创业成功。虽然在学校做教授做科研，收入也不少，也可以生活，但以他们的智力和能力，去创业或是去大公司做高级研究人员，收入会高出好多倍。要是以挣钱为目的，我觉得很多人会非常成功。要知道，他们并不仅仅是技术能力出色，组织、社交、管理能力也同样出众。

　　很多科研人员的成果没有时间去做商业化，比如说LIGO项目的计算机组，很多成果都很有商业价值，但他们却专注于怎样尽快探测到引力波，而不是怎样用技术去挣钱。这些人是为了理想在做事，他们只要有足够的收入维持生活，非常值得敬仰。而我，更像是个逃兵。

【新浪网】

“捕获”引力波爱因斯坦百年预言获证

　　美科学家宣布首次直接探测到引力波,验证广义相对论；人类首次“倾听”宇宙的“声音”

　　新京报讯（记者沙璐信娜）《星际穿越》中的情景原来真的存在，利用引力波，不同维度的时空可以相互传递信息。当地时间2月11日，加州理工学院、麻省理工学院以及“激光干涉引力波天文台（LIGO）”的研究人员在华盛顿宣布探测到引力波。预言百年，苦寻几十年，这是人类首次直接探测到引力波，也成为爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失“拼图”。

　　引力波来自两黑洞碰撞

　　据了解，引力波如一种时空涟漪，类似石头被丢进水里产生的波纹。黑洞、中子星等天体在碰撞过程中均产生引力波。此次研究人员直接探测到的引力波，就是来自于两个黑洞的碰撞。

　　去年9月14日，研究人员利用LIGO探测器探测到两个黑洞合并的引力波，也是首个位于地球之外13亿光年的引力波源GW150914。据研究人员估计，两个黑洞的质量分别相当于36个与29个太阳质量，合并后的总质量为62个太阳质量。也就是说，合并过程中，有3个太阳质量的能量以引力波的形式释放。

　　清华大学团队作出贡献

　　清华大学昨日表示，作为中国大陆唯一LIGO科学合作组织成员，清华大学研究团队作出贡献。

　　2009年LSC（LIGO科学合作组织）接受清华大学为正式成员。据了解，研究团队着重采用先进计算技术提高引力波数据分析的速度和效率，参与了LSC引力波暴和数据分析软件等工作组相关研究。

　　华中科技大学物理学院教授、精密物理量测量教育部重点实验室主任叶贤基表示，目前国内做引力波理论研究的比较多，做相关实验的研究团队比较少。这次发现相信会对国内引力波研究有很大的推动，相信更多的科学家会加入到实验的队伍当中。

　　■ 释疑

　　引力波是如何被探测到的？

　　在爱因斯坦预言引力波百年后，这是人类首次直接探测到引力波。根据爱因斯坦计算，引力波强度微弱，探测困难，但研究人员从未停止寻找。

　　据了解，此次探测，研究人员分别在美国两州之间设置两个间隔数千公里的探测器，呈L形排列。加上两个天文台使用完全相同的设备，研究人员认为两者数据可以彼此验证，排除偶然因素。

　　L形排列的测量臂长度为4公里，并垂直排列，两端各有反射镜面。研究人员表示，激光可在测量发射臂上来回反射，如果干涉条纹发生变化，可直接探测引力波存在。

　　2015年9月14日抵达地球的引力波信号，就是被刚改造升级的LIGO的两个探测器，以7毫秒的时间差先后捕捉到。

　　探测到引力波意味着什么？

　　叶贤基表示，此次发现开启了引力波天文学的时代。以前天文学只能借由电磁波进行观测，但很多物质靠电磁波观测是看不到的。现在测到引力波之后，可以借由引力波观测天体，比如黑洞、暗物质等，研究宇宙早期的结构和演化。

　　此外，它开启了另外一扇窗，以前科学家只能用电磁波观测的天体，比如以前对黑洞的观测非常有限，而现在可以看到黑洞合并的过程，黑洞对整个宇宙的结构和演化扮演非常重要的角色。

　　■ 背景

　　引力波宇宙中的“时空涟漪”

　　爱因斯坦发表于1915年的广义相对论，与此次发现的引力波有什么关联？

　　爱因斯坦将时空视为一种可以变形的介质，其广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动。广义相对论认为，在非球对称的物质分布情况下，物质运动，或物质体系的质量分布发生变化时，会产生引力波。引力波常被比做石头丢进水中产生的波纹，如同宇宙中的“时空涟漪”。

　　在宇宙中，有时就会出现如致密星体碰撞并合这样极其剧烈的天体物理过程。过程中的大质量天体剧烈运动扰动着周围的时空，扭曲时空的引力波也在这个过程中以光速向外传播出去。

　　■ 对话

　　“从此可用这种新手段探索宇宙”

　　德国马克斯-普朗克引力物理研究所、清华大学博士后胡一鸣，作为LIGO科学合作组织成员，参与了此次引力波的探测。昨日，仍在德国进行研究工作的胡一鸣在接受新京报记者采访时表示，引力波的成功探测，意味着人类拥有了新的手段去探索宇宙。

　　新京报：参与探测引力波项目的感受如何？

　　胡一鸣：能够见证历史，并参与到其中，我感到非常荣幸。

　　新京报：LIGO科学合作组织的此次探测，都经过了哪些考验？

　　胡一鸣：LIGO科学合作组织为了这次探测，从材料、镀膜、隔震、激光、真空，再到超级计算机、数值相对论、快速信号处理、数据分析、快速空间定位、参数估计，每一步都包含了科研人员的辛勤与付出。

　　新京报：为何引力波信号被探测到半年才得到确认，中间经过了哪些过程？

　　胡一鸣：去年9月14日引力波信号到达后3分钟，就被程序发现，但是因为那个时候还没有正式开始观测，等大家回过神来发现这次探测时，已经是半小时以后了。尽管如此，我们内部恪守规则，在没有万分的把握之前，严禁任何成员向任何组织外的个人透露消息。

　　LIGO科学合作组织非常的严谨。只有当你握有强有力的证据，你才可以做出超出常人想象的论断。此次我们所公布的每一句话，每一个数字，背后都是大量的讨论以及反复的计算和确认。可以说是两句三年得，一吟双泪流。

　　新京报：成功探测引力波后，未来的研究方向是什么？

　　胡一鸣：引力波的成功探测，意味着一个世纪的努力到达终点，更意味着一个新的研究领域的诞生。我们从此可以用这种新的手段探索宇宙，用前所未有的方式理解以前无法很清楚地理解的现象，比如超新星爆发具体过程、中子星内部结构等。这些对传统的电磁波天文学来说极具挑战的课题，有望通过引力波的研究变得触手可及。

　　不过就引力理论，和时空的理解方面，此次探测与爱因斯坦一个世纪前所创立的广义相对论高度吻合，所以很难从这次探测带来太多关于时空本质的深层次的突破。但我们也不能排除这种可能性：在未来的某一天，我们探测到了更为极端的引力波信号，在极端的物理条件下，广义相对论有可能会出现与观测事实的偏差，到那时，出现一个颠覆性的理论，革新人类对时空的理解，也未可知。

　　采写/新京报记者沙璐信娜

【新京报网】

世纪预言是这样一步步被验证的？

　　1915年，爱因斯坦发表了场方程，建立了广义相对论。

　　一年之后，史瓦西发表了后来被用来解释黑洞的爱因斯坦场方程的解。

　　1919年，爱丁顿等人在日全食期间用光线弯曲的实验论证了爱因斯坦广义相对论是一个满足天文观测的引力理论，这一实验为验证爱因斯坦的广义相对论提供了实验依据。

　　1963年，克尔给出旋转黑洞的解。1974年，泰勒和赫尔斯发现脉冲双星　PSR1913+16，证实了致密双星系统的引力辐射完全与广义相对论的预言一致。

　　2016年2月11日，LSC (LIGO科学合作组织)向全世界宣布:人类首次直接探测到了引力波，并且首次观测到了双黑洞的碰撞与并合。

　　引力波作为广义相对论的重要预言，直到上个世纪60年代，其存在性仍被不少物理学家质疑过。在之后的漫长岁月里，几代科学家付出了无数努力。其中最著名的要数引力波存在的间接实验证据———脉冲双星PSR1913+16。

　　1974年，美国物理学家泰勒和赫尔斯利用射电望远镜，发现了由两颗质量大致与太阳相当的中子星组成的相互旋绕的双星系统。由于其中一颗是脉冲星，利用它的精确的周期性射电脉冲信号，可以精准地知道两颗致密星体在绕

　　其质心公转时它们轨道的半长轴以及周期。根据广义相对论，当两个致密星体近距离彼此绕旋时，该体系会产生引力辐射。辐射出的引力波带走能量，所以系统总能量会越来越少，轨道半径和周期也会变短。这是人类第一次得到引力波存在的间接证据，是对广义相对论引力理论的一项重要验证。泰勒和赫尔斯因此荣获1993年诺贝尔物理学奖。

　　在实验方面，第一个对直接探测引力波作出伟大尝试的人是美国物理学家韦伯。早在上个世纪50年代，他率先充满远见地认识到，探测引力波并不是没有可能。从1957年到1959年，韦伯全身心投入在引力波探测方案的设计中。最终，韦伯选择了一根长2米，直径0.5米，重约1吨的圆柱形铝棒，其侧面指向引力波到来的方向。该类型探测器，被业内称为共振棒探测器。到了上世纪70年代，麻省理工学院的韦斯以及马里布休斯实验室的佛瓦德，分别建造了引力波激光干涉仪。现在，发现引力波的LIGO，就是更加精确的引力波激光干涉仪。

　　科学家认为发现引力波可以与100多年前发现电磁波的重要性相提并论。电磁波如今已改变了人类社会的面貌，从手机信号到微波炉，从WiFi到GPS，电磁波带来了人类现代文明的曙光。

　　在电磁波被发现100多年以后的今天，引力波被找到了。它是唯一可以在高维时空中传递的波，这点与电磁波完全不同。同时，引力波的穿透能力比中微子还要强，它也许真能像科幻小说《三体》中描述的那样，被人类用于星际通讯领域。(张松)

【新华网-文汇报】

引力波？“引力”是什么你真的懂了吗？

　　一大早被人类首次探测到引力波的新闻刷屏，可能有大批和小编一样迷茫的人还在纠结引力怎么会有波这种问题。中国科普博览带你一起读懂，引力究竟是怎么回事！

　　一、牛顿的描述：

　　牛顿认为，月球之所以会绕地球运转，是它们之间存在万有引力的缘故。这引力像绳子或弹簧一样一头拴着月亮，一头系着地球。一个形象的比喻就是投掷链球：地球是链球运动员而月亮是链球，地球在自己旋转的同时用铁链（万有引力）拉住月球，带它一块转。当然，万有引力是无形的，看不见摸不着，却如一条条铁链拴住世间万物。

　　二、爱因斯坦的见解：

　　后来人们观测到遥远的星光经过太阳附近时会发生弯曲。而牛顿以来的科学家都认为光线是直线传播的。爱因斯坦认为，要解决观测与理论间的矛盾，只能假设太阳周围的空间是弯曲的，这样光线在其中通过时，其路径也弯曲起来。于是他提出了广义相对论，用弯曲空间来讨论万有引力的作用：

　　每个有质量的物体周围都会出现时空的“弯曲”。这种弯曲就像在一层橡胶膜上放一颗铁球产生的凹陷一样。这时放在膜上的物体就要顺势滑向铁球。在现实中，太阳的质量也在其周围产生空间弯曲，行星在“弯曲”的空间里运动，看起来好像是绕着太阳转圈一样。想象一下在漏斗侧壁上滚动的小球，只要它的速度合适，就不会落入漏斗中。同样，包括地球在内的行星都以恰到好处的速度绕太阳转动，因此不会被太阳这个“引力漏斗”吸入。

　　一颗普通的恒星太阳尚且能把时空弯曲到如此程度，更不必说体积甚小、质量更大的黑洞了。它在时空中产生的弯曲就像用一根针戳向橡皮膜造成的凹陷一样厉害。这时牛顿的万有引力定律已经派不上用场。

　　你大概会认为这是一种想象出来的局面，但实际上并非如此。地球这颗行星是沿着椭圆路线绕着太阳运行的，正像一条船在呈曲面的大海上行驶一样。至于这条椭圆路线，牛顿是假设太阳和地球之间有一种引力来解释的，正是这种引力使地球保持在它的轨道上。

　　不过，我们也可以从空间几何形态来考虑问题。我们不是通过观察空间本身——空间是看不见的——而是通过考察物体在这种空间里的运动方式，来确定这种空间的几何形态。如果空间是“平坦的”，各种物体就会走直线从这个空间中通过，如果空间是“弯曲的”，各种物体就会走出弯曲的路线来。

　　一个具有确定质量和速度的物体，如果在离开其他物体都很远的地方运动，那么，它的路径真的可以说是一条直线。而当它越靠近另一个有质量的物体，它的路径就会变得越来越弯曲，显然，是质量把空间弯曲了。质量越大，离质量越近，空间弯曲的就越厉害。由此看来，万有引力只适用于描述空间弯曲程度较轻的情况，而广义相对论则适用于任何程度的弯曲空间。

　　[名词解释：“时空”在相对论中，时间与空间不可分割，就好像物体的长、宽、高不可分割一样。爱因斯坦认为，时间是现实世界中除长、宽、高以外的第四个维度，“空间~时间”构成了一个连续的体系。单指出一个物体的瞬间状态是没有什么意义的，必须也描述该物体在时间中的变化。

【新浪网】

引力波探测器LIGO是个什么鬼？

　　金庸的小说《射雕英雄传》里有一种功夫叫做“降龙十八掌”，其中有一式叫做“飞龙在天”，这当然是很厉害的招式。如果把一个“龙”字放在一个“天”字上，请问这个字怎么读？这个字的读音是yan（第三声，音同表演的"演"）。

　　王?，1984年出生在辽宁，南京大学天体物理学士，德国爱因斯坦研究所博士， Stefano Braccini Thesis Prize 奖获得者，出版斯普林格图书《First-stage LISA data processing and gravitational wave data analysis》。目前在西澳大学担任研究助理教授。

　　最近，据说美国的引力波探测器LIGO也想学NASA整个大新闻，于是蝌蚪君独家专访了引力波探测器LIGO方面的专家王?博士，向他请教了引力波探测器LIGO的一些基础知识。

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LIGO外观

　　LIGO内部有一个麦克尔逊干涉仪

　　蝌蚪君：“LIGO在美国的华盛顿汉福德（Hanford, Washington）与路易斯安娜州各有一个激光干涉仪，对吗？”

　　王?：“是的。”

　　蝌蚪君：“这些激光干涉仪工作的基本原理是什么？”

　　王?：“就是麦克尔逊干涉仪。”

　　麦克尔逊干涉仪，在历史上曾经因为验证了以太不存在，从而导致爱因斯坦提出“在惯性参考系中光速是不变的”的基本原理，成为一个光学领域的经典仪器。在红外光谱领域，因为要检测一些有机物的分子光谱，也使用麦克尔逊干涉仪。简单地说，这种干涉仪内部有两束光，如果这两束光走过的路程一样长，那么它们重逢的时候出现的干涉条纹中间是亮的，如果这两束光走过的路程不一样长，则出现干涉条纹中间部分就没有原来那么亮了。

　　蝌蚪君：“通过检测干涉条纹中心的光斑亮度，引力波探测器LIGO可以知道光程有没有发生变化？”

　　王?：“是的，当然实际工作过程中，LIGO的光路中光线还需要来回反射很多次，这样有效光路变长很多倍，能提高检测的灵敏度（精度）。”

　　引力波探测的精度是10^(-21)，这个数字是 0.000 000 000 000 000 000 001，相当于测量地球到太阳的距离精确到原子半径的大小。

　　干涉仪的臂长与可探测到的引力波中心波长之间的关系

　　在实际的LIGO引力波探测器中，激光麦克尔逊干涉仪的干涉臂的臂长达到4公里，在多次反射后可以达到几千公里，这一干涉长度对引力波的中心频率为100赫兹的信号最为敏感。

　　蝌蚪君：“干涉仪的臂长与引力波的中心波长之间大概是什么关系？”

　　王?：“粗略得说就是干涉仪的有效臂长，就是可探测的引力波的中心波长。”

　　蝌蚪君：“LIGO引力波探测器100赫兹的引力波信号对应于什么样的天体物理过程？”

　　王?：“大概有四个过程，第一种情况是致密双星的合并过程中发出的引力波，比如1到100个太阳质量的致密天体（如中子星，黑洞）之间的合并过程就发出这个频段的引力波信号；第二种情况是中子星的自转，当一个中子星的质量分布不对称的时候，它有一个随时间变化的四极矩，这个时候也会辐射出这个频段的引力波；第三种情况就是burst过程，就是一些短期的爆发源，比如超新星爆炸过程，时间很短，其引力波信号也很不规则，其频率也在LIGO引力波探测器的探测范围内；第四种情况就在宇宙学方面，早期的宇宙大爆炸会有随机的引力波背景，这个极早期的涨落现在比较难探测，但也在LIGO引力波探测器的探测范围内。”

　　曾经提出类elisa的引力波探测技术方案

　　对于引力波探测计划，除了有“在地面的LIGO引力波探测器，还有在天上的卫星做成的elisa计划。王?博士曾经提出了一种不用于elisa的引力波卫星计划，在这个技术方案中，一共有6个卫星，它们的空间结构满足一个正八面体的形状，这个装置与elisa的三颗卫星不同，是放置在第一拉格朗日点。

　　王?说：“这种八面体结构的优点是，可以消除卫星的加速度噪音以及卫星时钟的噪音。”

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　　当然，引力波是很难探测的，引力波探测界有一个大佬叫Bernard Schutz。四年前，他曾在北京大学做学术报告时发表感慨说："我们花了几十亿美元找引力波，还是没找到，有时候我晚上碎觉想想，我怎么能和老婆睡自己床上呢？我TM应该睡监狱里啊。"

　　王?是奋战在探索深层次宇宙奥秘第一线的年轻中国学者，我们期待他参与的引力波探测事业能给我们人类文明前进带来新的推动力。

【新浪网】

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