曹军威：时空的涟漪——引力波

曹军威 清华大学信息技术研究院研究员、院务委员会副主任

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时空的涟漪——引力波

大家看这张图，这是一个引力波源，是双黑洞并合的示意图，也是一个计算机仿真的图形。图中两个灰色实体表示黑洞，黑洞本身它也自转，而且这两个黑洞相互环绕旋转。周围的彩色部分是对时空场的示意。两个黑洞不断地旋绕，由于加速运动释放出引力波。它们的能量不断减小，距离越来越近，最后并合的一瞬间就发出了引力波。

下面我把引力波探测的一些具体的信息跟大家交流一下。引力波大家觉得很神秘，很高大上的感觉。但是，我们探测到引力波，最终是在数据系统里看到了这样的波形，那这样的波形是一个什么样的波形呢？

上面有三张图，我们叫LIGO Hanford Data, LIGO是指激光干涉引力波天文台。这个天文台在美国是建了两个。一个在汉福德（Hanford），这个地方在美国西北边华盛顿州（Washington State），是华盛顿州的一个小镇，这个天文台观测到了这样的波形。几乎同时在距离Hanford三千公里外的美国东南部的路易斯安那州的另外一个小镇叫利文斯顿（Livingston），我们探测到另外一个蓝色的波形。这两个波形距离三千公里，要用光程来算的话，就是光走十毫秒的距离。你想象一个引力波从一个天文台通过，再到达另外一个天文台，平着扫过去，它们俩之间的时间距离应该是十毫秒，如果有一定角度，这个时间差就应该小于十毫秒。我们这次探测到的数据是6.9毫秒，它是从南半球天区过来先到达利文斯顿（Livingston）天文台，然后到达汉福德（Hanford），所以这两个曲线之间相差了6.9毫秒。如果我把一个曲线平移6.9个毫秒跟另外一个曲线放在一起的话，大家可以看到，这两个曲线在对比的过程中，尤其在最重要的这部分，相似程度是非常高的。

下面介绍一下引力波源。这个信号是从哪来的？我们讲是因为双黑洞并合，但我们知道，光都不能逃逸出黑洞，我们用一般的望远镜是看不到黑洞的。我们观测到了引力波，通过引力波观测到了黑洞。人类第一次除了用一般的电磁波望远镜来观测宇宙以外，又装了一双聆听宇宙的耳朵。引力波的探测跟我们以前的望远镜原理是完全不一样的。

如果把引力波跟电磁波、声波、水波去类比的话，我们就把引力波的信号输入到声频里面去，大家可以听到引力波，尤其最后一声。它的频率从25赫兹急速上升为250赫兹，在不到一秒的时间里面，在刚才频率的这张图里也是非常突出的。

黑洞是一个质量非常大的致密星体，致密星体除了有黑洞以外，可能还有其他的形式。比如中子星，还有白矮星，但是质量大到一定程度，就是黑洞的形态。双黑洞并合释放引力波，除了这个双黑洞存在之外，还有一个所谓场的存在，这个场我们之前叫做引力场，所以引力场中的波动我们又叫做引力波。下面我讲一下最基本的概念，就是引力到引力场，到引力波的过程。

爱因斯坦1915年的广义相对论，把这个做了一个简单的介绍，我们首先要了解到空间、时间和物质是互联的。这个观点是广义相对论所提出来的。它意味着什么呢？双黑洞并合有物质，物质之间有引力，引力之所以存在是因为有引力场，而引力波是引力场里面的一个波动。爱因斯坦的广义相对论就提出来引力场到底是怎么回事？为什么会有引力？为什么引力还能够传递？这个引力场是怎么回事？爱因斯坦的广义相对论第一次把引力场跟我们所谓的时间和空间联系在了一起，时间和空间组成了一个四维的时空，它是客观存在的。所以后面我想就不用引力场这个概念，而是用时空场这个概念。

刚才我讲的，引力波发出的过程就是物质和时空进行能量交换的过程。物质是能发出能量的，质量跟能量之间是可以等价的，时空跟能量之间也是相互关联的。时空客观存在在我们周围，而且时空里是可以传递能量的。

给大家一个非常具体的展示，地球围绕太阳转这件事是一个典型的物质之间的相互作用。但是我们想到这件事的时候，我们还要加上周围绿色的曲线，这也是一个时空的示意，就是说除了物质的存在以外，我们周围还有一个时空的存在。但是牛顿的万有引力不是这么解释的。他是讲太阳和地球之间有一个万有引力，它是跟质量成正比，跟距离成反比。那这样的万有引力，是如何进行传递的？假如说有一天太阳突然消失了，那地球可能就会沿切线方向飞出去，对吧？

这就有一个问题，就是说太阳消失这件事，地球怎么会知道呢？这个引力的变化是怎么传播过去的呢？牛顿就认为这个变化是一个超距作用，就是没有什么原因，就是传播给了地球，地球的运动轨迹就会发生变化。但是这件事跟爱因斯坦的狭义相对论是矛盾的。爱因斯坦狭义相对论认为，没有任何速度可以超过光速，如果光速不变的话，那时空必须是相对的。爱因斯坦就认为这不太可能，应该是有一个媒介在这里面，把引力变化的这件事传递给了地球，所以广义相对论把时空跟这个媒介的场联系在了一起。

最终爱因斯坦的广义相对论可以归纳为这样两句话，物质引导时空弯曲，由于有了太阳这个巨大质量的物质存在，把本来平直的时空给弯曲了。由于太阳质量非常大，它周围的时空弯曲程度很大，所以地球的运动轨迹就受到了弯曲时空的影响，所以它才会围绕太阳转。

1905年爱因斯坦讲狭义相对论的时候还跟引力没有任何关系，只是把时空的相对性和光速的绝对性讲清楚了。但是到了1915年爱因斯坦第一次把时空跟引力场结合在一起。所以说从贡献来讲，在1905年，全世界可能不止爱因斯坦一个人接近这样的一个理论。但是真正到了广义相对论，当时除了爱因斯坦没有任何科学家接近这样的理论。所以1915年的广义相对论的提出是一个非常巨大的飞跃。我希望通过一个简单的讲述，给大家介绍一个基本的概念。

责任编辑：李天翼

文章来源：http://www.71.cn/2017/0620/952371.shtml