曹军威：宇宙天籁——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

时空的涟漪——引力波

最精密的实验——引力波探测

如何确定引力波信号

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。

 

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。

 

现在讲之前探测到那个信号，为什么一定是引力波信号？信号到达的时间是2015年9月14号早晨5点51分。我们的数据分析程序流水线在9月14号5点54分，也就是3分钟以后就看到了。我们这个流水线的名字叫CWB，它是一个非常简单的程序流水线，如果突然有一个能量的变化，那它会检测到。两个天文台，如果同时有能量的变化，就会把这个信号提取出来，告诉大家这个信号有可能是引力波信号。

我们的在线数据分析流水线，在三分钟以后就发出了这样的一个信号。经过进一步分析后，我们得到了几张图，具体的意思我不给大家讲了，它是一个曲线。

这个数据它远离背景，远离背景达到什么程度呢？它的信噪比达到了20以上，同时我们把它转换成天文学上的一个标准的显示值，叫5.1个∑。在这样的一个区域里面，如果它想伪装成这样的信号，它的概率是20万年有一次。从这个角度我们认为，它不是一个噪声，它是一个引力波信号。

双黑洞并合我们没有其他的手段来观测到，所以我们只能用计算机仿真的方式来重构这样过程。比如，一个36太阳质量，一个29太阳质量，我们仿真它们两个。我们认为双黑洞并合的过程有三个阶段，是频率从25赫兹急遽上升为250赫兹，然后又减弱的一个过程，它不是简单的曲线信号，而是有一定特征的信号。这样的信号，我们跟双黑洞并合的仿真过程做了一个比对，拟合得非常完美。这也给了我们信心。

好，我们概括一下这次发现的意义。分两个部分，第一部分从物理的角度证实了爱因斯坦广义相对论的一个重要预言，进一步证实了爱因斯坦广义相对论的正确性。第二方面的意义在于天文学方面，为什么叫开启了引力波天文学的新时段？因为它打开了一扇前所未有探测宇宙的新窗口，我们原来是看不到黑洞的，但现在我们能拿到它的波形，以一种定量的方式来看。

未来的趋势，全世界会有很多的引力波天文台，会组成一个全球网络，现在已经运行的，包括美国的两个天文台，还包括英国和德国的，我们叫GEO600，但是由于它的臂长只有600米，所以它达不到探测的精度。但是很多LIGO科学合作组织的技术都是从GEO这样的天文台衍生出来的。其他在建的天文台，包括意法合建的VIRGO天文台，它的臂长有3公里，也是有很高的探测精度，但是它还没有建设完成。日本也在建设一个天文台，日本的天文台的特点是在地下，地下的好处刚才也讲了，可以把地震波的地表波动屏蔽掉，它可以探测到十赫兹以下的引力波信号，同时日本这个天文台还将尝试低温情况下的测试。再比如，印度也在计划建设自己的天文台。包括中国现在也在讨论建设自己主导的天文台，所以未来会构成一个全球的网络，如果有多个天文台同时探测到引力波信号，我们就可以有更精准的引力波源的定位。

 

地下的引力波探测，其设备造价也会更高，在地下构建一个三角形的，由三个激光干涉仪组成的天文台，臂长是十公里的巨大探测器，所以它的探测精度更高。当然还有其他的方式，比如空间引力波探测，如果我们把激光干涉仪发射到空间，它的直观好处大家可以想，空间本身就是真空的，它受到的干扰就小，而且卫星之间，激光可以打的距离也更长，甚至臂长可以达到上百万公里长，这样的话探测到的引力波频段就不一样了，可以探测到超低频的引力波，我们国家也有一些计划，但也都没有获得资助。

给大家做一个电磁波和引力波的直观类比。150年前，麦克斯韦尔写下了电磁波的方程，21年以后赫兹就用实验的方式探测到了电子波的存在。到了2015年所有电磁波的频段都获得了应用。1916年，爱因斯坦预测了引力波的存在，1993年我们有一个间接的引力波探测证据，到2016年我们有一个直接的引力波探测的证据。但是目前为止，我们还不知道如何来应用引力波，也许未来一百年，人类会找到应用引力波的方式。引力波和电磁波到目前为止，虽然在想象上非常类似，但是目前为止还不能从理论上去统一它们。爱因斯坦晚年也在致力于把引力和电磁统一起来，但是目前为止还没有做到，这都是未来的一些研究方向。

很多人会问我，会不会由于发现了引力波，未来就会产生类似时空穿越，星舰文明的事情？我想这个过程是非常漫长的，如果真的有一天，人类能够实现这些愿景，那么这次的引力波的直接探测应该是非常好的起点，是有历史意义的起点，它不仅仅是重大的发现，而且它是一个重大的开始。

今天的交流就到这里，谢谢大家。

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责任编辑：李天翼

文章来源：http://www.71.cn/2017/0721/956518.shtml