曹军威：最精密的实验——引力波的探测

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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爱因斯坦广义相对论有很多预言，比如，通过质量大的星体光线会弯曲，钟表在地球表面和在空间的快慢不一样等，这些都是爱因斯坦广义相对论的一些验证，这些验证都被证明是正确的，唯有一个引力波的预言没有被直接检测过。

人类追寻引力波近百年，直到2016年才直接探测到了引力波。引力波是什么呢？如果时空作为一个场存在，那么任何加速运动的物质都会发出引力波。

这里有两张图，演示了引力波传递的过程，虽然只是二维的演示，但这并不是非常简单的传播。它是从这个方向延展到另一个方向上的压缩，并且是交替进行的过程。

如果用三维演示就是一个非常复杂的传播过程，虽然每一个横截面都是以这样的一个规律在传播，但每一个横截面所处的相位，或者阶段是不一样的。引力波是存在在周围的，比如，我跑两步可能也会发出引力波，别人走两步也会发出引力波，因为我们都是加速运动的物质，但是这个引力波是非常非常微小的，所以很难探测到。

引力波历经了一百年才真正直接探测到，所以我们把时空弯曲加入到双黑洞并合的过程中去。因为两个黑洞的质量非常大，它们俩在环绕的时候释放引力波，然后距离不断地缩减，到最终它们俩开始并合，并合的一瞬间，实际上是一个物质跟时空之间有了巨大的能量交换，释放出来一个巨大的引力波。只是这一瞬间非常短，最终由于合并成一个黑洞，不再有加速运动，所以它有一个衰退的过程，然后就再没有引力波释放出去。

那这样的一个波动，为什么我们能探测到？引力波波动对地球的时空会产生一个比较大的影响。实际上怎么理解？就是说时间、空间被变长变短，空间被伸展和压缩。时间被变长和变短怎么来理解？给大家做个比喻，好比空间、时间是一个单位。时空构成了一个物质存在的标价，比如一张桌子一米长，我们把它形象地想象为这张桌子，然后我们用一把尺子量这个桌子，那么引力波到达之后，就相当于把这个桌子延长或者变短了。再去量这个桌子的时候，这张桌子就不再是一米了。

它是一个客观存在的场，而且是可以携带能量的，我想把这样的概念给大家建立起来。时空是相对的话，唯有一个是绝对不变的，那就是光速。如果需要测量时空的相对性，只能以绝对不变的光为媒介。探测引力波，要使用的就是激光干涉的方法，以光为媒介去测量时空相对性微小的变化，这个后面会讲到。

引力波很难探测是因为影响非常小，小到什么程度？是十的负十八次方米这么大。所以，爱因斯坦当年在算出来这个引力波后，他说人类是不可能探测到引力波的。我们讲十的负十八次方是个什么概念，头发丝的直径是十的负六次方米，再细一万倍，就变成了氢原子的直径——十的负十次方，氢原子再缩小十万倍，质子的直径是十的负十五次方米，千分之一质子的直径，十的负十八次方米。

只有在黑洞极端运动的物理条件下，它才能产生巨大的能量交换，但是所产生的引力波真正到达地球以后，人类所能探测到的尺度也是非常小的。引力波所引起的变化，是跟距离成正比的。引力波引起距离的变化越远，引力波引起的距离变化就越大。

刚才讲1915年人类预测了引力波存在，但是真正探测引力波，是从上世纪60年代开始的。1993年的诺贝尔物理学奖，就是奖给了探测引力波的间接证据。这个间接的证据是什么呢？就是对于一个脉冲星的双星系统，比如，质量较小的中子星，中子星的好处就是它也是相互环绕运行，但是它离地球较近，我们可以用望远镜，或其他手段来探测，虽然还不能直接探测到它所释放出来的引力波，但是可以测量出来，两个中子星之间相互环绕旋近的过程，它的曲率越来越小。从1973年开始的二三十年的时间里，一直在量测两个现有的，我们能够观测到的脉冲星的双星系统。我们观测到这样一个半径，这个半径的变化是曲率越来越小。另外我们用爱因斯坦广义相对论来理论上来计算这个衰减的话，和我们量测到的实际发生的曲率正好拟合得非常好，所以，这是一个引力波存在的间接证据。

到了2016年，我们直接探测到引力波所引起的时空弯曲的变化，同时还直接看到了它的波形，这个波形就是引力波导致时空变化的动态过程。所以，从定量的程度来讲，这次的直接探测比起以往的间接证据更有说服力。从定量分析的角度来讲，这次的探测结果是非常完美的。

之前跟大家讲了，引力波探测非常难，因为引力波非常小，而且它是相对的时空弯曲，必须通过光来探测，另外就是距离越长，我们能够探测到引力波的变化就越容易。那基于这几点，我们实际上构建了一个激光干涉的原理。这就是为什么引力波天文台的臂会很长？一个臂就有四公里长，因为刚才讲的，臂越长，探测到引力波信号所导致时空的变化就会越大，就越容易探测到。那这样的天文台不仅仅是一个，人类建了两个，它们的距离是三千公里。从1991年和1992年开始建设，历经了20多年，那这20多年人类科学家又做了什么呢？除了这个基础的建设以外，就是不断地去调试激光干涉仪，提高灵敏度。直到2016年的9月初的时候，我们的引力波天文台才调到了真正能够探测到引力波的精度。我们达到这个精度的一周时间，就拿到了非常强的引力波的信号。我们这次探测到的引力波是13亿光年远的双黑洞合并时发出的，传递到地球，用了13光亿年。

下面讲一下引力波激光干涉探测器的基本原理，它是一束激光打进来以后分成两束，两束在两头上都有一个测试物质。反射回来以后，从原理上来讲，如果这两个臂严格等长的话，在成像仪上所能看到的光，是抵消的，看不到任何信号。但是如果我们讲，这个引力波从垂直方向扫过天文台的时候，它就会改变两个臂的长短，这时候从成像仪上就会看到这样的信号。为了做好激光干涉效果，我们不仅拥有迈克尔逊干涉仪，我们还加了很多辅助手段，比如，加入了反射镜，使得激光在这两个臂里会反射很多次，可以加长测量的距离。就是我们讲的，时空是相对的，但是唯一不变的就是光。

我们的地面激光干涉天文台的频段主要集中在十赫兹到一千赫兹，它对应的是致密星体最终爆发的引力波信号。达到这样的精度，其实是很不容易的。一个精度在不同的阶段，是会受到不同噪声影响的。最终调到这样的精度，是非常不容易的，也是历经了十多年的时间。

这两个天文台在引力波扫过的时候，对激光干涉仪产生了一秒的时空压缩和伸长。我们这个成像仪探测到了不到一秒的信号。这个信号经过两个天文台之间距离的时间是6.9毫秒。通过这个信号，我们反推，也就是说这个引力波源从哪来的？它来源于一个双黑洞并合，那它的质量有多大呢？两个黑洞，一个是29倍太阳质量，一个是36倍太阳质量，它们并合以后的这个黑洞，按理说应该是65倍太阳质量，但是实际上它并合以后只有62倍太阳质量。也就是说在不到一秒的时间里，有三个太阳质量的能量，以引力波的形式从物质转换成为引力波，穿越进时空里面去，以引力波的方式发射出来。

实际上从概率的角度讲，宇宙里面有很多的黑洞，如果按照这一次探测到引力波的概率计算，未来我们的天文台精度再提高三倍的话，可能会每周都会探测到这样的信号。如果宇宙每周都有这样信号的话，就是无时无刻都有很多这样的黑洞，或者是剧烈运动的天体并合。所以，这个跟我们平常看到的静谧的星空是不一样的，这是一个剧烈运动的宇宙，而地球能够存在这样的一个宇宙中，而且还能这么安静的存在，实际上地球才是一个奇迹。

那为了探测到这样的信号，去造这样的一个探测器本身技术也有很多挑战。后边花一点时间把探测器本身的一些技术难题跟大家讲一下。

比如，这张图，我自己在天文台值班的时候照的，这就是一个臂，一个四公长的臂。这个臂外面是一个防护水泥罩，里面是真空腔。为了达到测量精度，避免任何不必要的干扰，这个真空系统是完全必要的。如果这里面有空气分子，对激光的稳定性就会有影响。这两个真空腔交汇的地方，就是成像仪所在的地方。所有的光学仪器都是在真空里面运行的。

第二个难题在于激光本身，激光本身要非常稳定，所谓稳定就是它的频率的稳定。不但是要稳定，而且这个能量要高，这件事是两个相互矛盾的两件事。如果做一个高功率的巨大激光，不要求稳定性，这个也是可以做到的。但LIGO这个引力波激光干涉仪，它的探测要求是既要一定的能量，又要稳定，这对于激光技术的要求非常高。

第三这个反射的镜面本身，要求也是很高。如果这个镜面本身的热运动超出了所测量的精度，那可能它的运动就会引发了噪声，就会大于所要测量的信号。这个镜面本身有很多层，我们叫镀膜，这个镀膜的技术要求也非常高，因为它要反射几十次以后，积聚的能量才会加长它的探测距离。

这张图就是把所有影响天文台的因素都总结在了一起，紫色的这条线是天文台所能达到的一个最大的精度。为什么在十赫兹以下，我们就不行，因为Seismic noise这条曲线，在几赫兹到十赫兹以下，我们叫地表振动，由于这个天文台是在地面上建的，这个振动是无论如何你也去不掉了。这是天文台量测的基本情况。

最后我们再讲数据分析系统，除了仪器本身以外，我们还有一套计算机系统，各种曲线直接从天文台实时显示到屏幕上，同时所有的数据还会存下来，由于探测的频段在10赫兹到1000赫兹，所以是中高频频段，数据的采样频率就要非常高，达到每秒一万六千次。所有这些数据加起来，使得整个这个数据分析系统的数据量非常大。

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责任编辑：李天翼

文章来源：http://www.71.cn/2017/0713/955457.shtml