宇宙引力波是什么(宇宙学的引五力波也称为什么？)

宇宙学的引五力波也称为什么？

引力波是以波形式传播的时空扰动，被形象地称为“時空涟漪”。

引力波到底是个什么波

石头扔进水里，水上下晃动形成水波；水存在于空间中，水波动的是水，空间本身是不会动的，但是如果质量足够大的星体在空间中振动的时候，空间本身就会动起来，向宇宙中传播形成宇宙空间的整个振动，也就是所谓的引力波了。空间如此坚固以至于一般情况下空间都可以认为是稳固的，然而宇宙中还是有不少的巨无霸可以撼动空间。把空间想象成一个大水塘，水塘里有很多微生物，还有一个你，那些微生物的活动几乎不会让水塘发生任何运动，但是你一旦规律的动起来，水塘就会跟着你产生波动了。

随着宇宙的膨胀，引力波会不会越来越弱？

谢邀！引力在恒星系产生！宇宙膨胀再大只要本系不膨胀引力不会消失！因为地球引力与万有引力不是一种类引力！宇宙的膨胀与万有引力有关！但是与星系引力关系不大！

前几天来自发现了引力波，以后过山不久可能会发现外星文明......那么，宇宙的目的是什么？

我终于找到知音了请现在就去看看刘慈欣的一个短篇文章光荣与梦想再追问我

爱因斯坦的预言被证实！宇宙确实存在引力波，引力波有什么作用？

你能想象吗，其实身处宇宙的我们，此刻或许正在时空里荡漾。

早在百年前，爱因斯坦就曾预言：宇宙中存在引力波！但是当时人们根本参不透，这位“科学怪人”脑中的宇宙究竟什么样。

如今，引力波被证实确实存在！今天我们就来聊聊，引力波到底是什么。

                            

1915年，爱因斯坦在认识到引力，是一种非常特殊的相互作用后，提出了广义相对论。其着重指出引力的本质，就是时空弯曲！

次年，也就是1916年，爱因斯坦又提出并论证了引力是以波的形式进行传播的。这就是爱因斯坦预言宇宙存在引力波的由来。

我们不得不佩服，这个智商天花板的男人，早在百年前，就预言了引力波的存在。要知道以那时的科技水平而言，根本无法探测到引力波。

而且爱因斯坦十分具象地提出，引力波以光速传播，时空也不是均匀平整的，而是变化弯曲的！

要知道他所打破的，不仅仅是一个认知，还有曾经被奉为“完美真理”的牛顿经典力学！

当年，牛顿被落下的苹果“砰”的一声，砸出了“万有引力”定律。谁也没有想到，这习以为常的现象背后，竟然包含着宇宙万物运行的规律！

随后通过对力学的不断研究和探索，牛顿凭借三大定律，获得了近代物理不可撼动的学术地位。那爱因斯坦又是怎么走出巨人的权威，发现引力波的呢？

最初，爱因斯坦对于引力波的构想，只是源于脑中的一个“灵光乍现”。

随后通过对弱引力的线性化处理，将用黎曼几何写出来的引力场方程进行简化，从而推导出了纯理论的引力波方程。

也就是说引力波的提出，源于类似数学上电磁波方程的方程式推导，而非真实的实验观察。

于是，学术界关于引力波是否真的存在，多年来还是持怀疑态度的。即使有爱因斯坦这样的物理大神背书，人们还是更相信“眼见为实”。

就好像千百年前，古人不知道地球有多大，所以一直认为天圆地方，陆地是平的一样。那引力波究竟是什么呢？

假如爱因斯坦和牛顿两位物理学大神，因为学术问题扭打在一起，你站谁？

在牛顿的经典力学中，时间是匀速向前的，空间也是均匀拓展的。

时间和空间的绝对性，决定了宇宙具有平稳持续扩散的规律性，根本不可能存在什么起伏，因为人类千百年来的平稳生活空间是肉眼可见的。

但爱因斯坦却不这么认为。在爱因斯坦的广义相对论中，时空会发生扭曲，宇宙也并非平坦无际。他认为，整个宇宙充满了以光速扩散的引力波。

只要是有质量的物体，就会使其周围的时空发生扭曲，质量越大，时空扭曲越厉害。

后者的科学视野，一下子就把常年注视于天体运行规律的科学惯性，转移到了存在于天体周围的广袤空间中来。

随着爱因斯坦细致而严谨的论述和推导，物理学界也开始逐步认同，并接受了这位伟大的物理学巨人的观点。那引力波究竟是一种怎样的存在呢？

简单理解，引力波就好比我们向水面投掷石块，荡起的涟漪一样。又类似于地震发生时，检测仪表上逐层向外扩散的波浪线。

其扭动的幅度和频率，就是引力波的振幅和频率，所以如果能测量到天体的扭动，便可以测量到引力波了。

但是，实现测量的最大阻碍，就是天体之间动不动就数万光年的距离。即便是宇宙中最强的引力波，传导到地球，振幅也不过亿万分之一纳米罢了。

所以如果想捕捉到较为强烈的引力波，就必须有预见性的，对准某一深空，并凭借运气观测到质量巨大的天体之间发生灾变，从而相互作用，加速运动。

例如，找到来自宇宙深处，黑洞融合所产生的噪声等。当然，这个概率可以说是相当小的。

因此，需要特别指出的是，即便是认为引力波肯定存在的爱因斯坦，当年也觉得人类可能永远也无法探测到引力波！

但天才就是天才，他们超前的科学视角，注定是一般人短时间内无法理解的。就好像真理永远是真理，它一定经得住时间的考验。

当初，令人“一头雾水”的预言，如今却被天文学家证实：宇宙中存在的引力波，已被清晰地探测到了。

爱因斯坦的引力波预言被证实，“时空涟漪”的褶皱里有什么？是高维度空间，还是多重宇宙？

地球只是茫茫宇宙的一粒尘埃，质量庞大的天体运动，离我们实在太过遥远，而近距离的物体，在加速运动的情况下，产生的引力又十分微弱，所以近百年来，物理学界一直都对引力波是否真实存在心存疑虑。

不过1974年，科学界就有了进一步的发现。被命名为PSR1913+16的脉冲双星的发现，证实了致密双星系统的引力辐射，与广义相对论的预言完全一致。

2016年2月科学合作组织，更是通过多年来对一组13亿年前，就开始的双黑洞碰撞与并合的观测，向全世界宣布：人类首次观测到，并直接探测到了引力波！

这两个黑洞的原初引力波，来自于138亿年前的宇宙大爆炸。他们一个相当于36个太阳质量，一个相当于29个太阳。

两个黑洞在融合前，彼此相互旋转，随着距离的靠近，旋转速度逐渐加快，部分能量以引力波的形式被释放。

当二者合二为一，形成了一个62个太阳质量的超级黑洞。那散失的3个太阳质量，就是合并的数百万年来，以光的速度向宇宙传递出的引力震动。

不仅如此，科学家还在黑洞合并后，二次探测到了引力波。

至此，整整一百年后，爱因斯坦的预言被证实。那有人就会问了，质量如此大的天体，为何会“浮”在太空，不会“沉”下去呢？

这是因为，宇宙中不仅有引力波，还存在引力场。大质量的星体，虽然压弯了宇宙的平面，但是其曲率的空间也是非常广的。

就好像一个滚落于蹦床的铁球，悠长而弯曲的宇宙平面，会将星球托起来不让其下沉。

而身处地球的我们感受不到宇宙的涟漪，只不过由于宇宙范围太大，即便是宇宙中密度最大的天体，超大质量的中子星发生剧烈的相互运动，其释放的引力短时间内也很难到达地球。那这些弯曲荡漾的时空里又有什么呢？

有人说，如果引力波扭曲的时空褶皱能被展开，或许四维空间将不再遥不可及，甚至多重宇宙的存在也不是没有可能。

届时，我们或许能够轻而易举地摆脱天体引力的桎梏，借助引力波实现梦幻般的时空穿越，听起来是不是很令人期待呢。

什么叫引力波？它是有形或无形？它在地球，日球，月球，星球，星系，银河系会产生什么样的力量，信息？在

金星：0.414亿公里火星：0.783亿公里水星：0.917亿公里木星：6.29亿公里土星：12.8亿公里天王星：27.2亿公里海王星：43.5亿公里

轰动全宇宙的“引力波”到底是啥？

本文来源|果壳网（ID：Guokr42）、混子曰（ID：hey-stone）

作者|Calo、二混子stone 　　

100年前，那个依然英俊的青年爱因斯坦经过十年的苦思悯想，参悟了时空和引力的本质，写下了划时代的公式。那个简洁美妙的公式，被后世的另一个才华横溢的学者约翰·惠勒总结为：时空命令物质如何运动，而物质引导时空如何弯曲。

100年后，经过几代科学家一个世纪的不懈努力，我们终于站在一个新时代的全新起点，迎来了人类探测到的第一个引力波信号。

 

先给大家简单粗暴得介绍一下引力波是什么。

 

引力波其实没啥，就是一阵能量，宇宙是一片海洋，无论在哪发生点啥事，都会一波一波传出去，比如这次的引力波，就是在遥远的天边，两个胖子星球合体，咣一声撞出来的能量，吭哧吭哧散发到宇宙中。

 

 

这股能量跑了好多亿年，终于来到了地球，经过了地球和你，于是你的时间和空间发生畸变抖动，具体表现是，你忽胖忽瘦，忽快忽慢。

 

想象一个果冻，放在桌上，然后在旁边猛拍桌子，你就是这个果冻。

 

 

当然了，这个效应太弱，你是感受不到的。

 

报道里说的“L”型的超牛的探测设备，其实就是用来测量长宽变化的，一旦出现变化，就说明引力波来了。

 

1

认真得说说引力波是啥

嗯...能吃吗？

 

 

春天来了，万物复苏，动物们也到了交……呃不对，动物们干啥说不准，但人们的确是到了聚在一起，交流感悟的时候。老朋友交流人生历程，御宅族交流本月新番，三姑六婆交流你的一切，而你只想过年了好好歇着，顶多跟三五知己看看电影什么的。

 

重温经典爱情片是个不错的选择↓

 

图片来源：《泰坦尼克号》

 

看着这一幕欢快的双人舞，我忍不住长叹一声：哎，你们从这一幕看出了什么？

 

 

……

 

“哈？你在说神马？”

 

杰克和露丝之所以会互相吸引，除了因为爱，还因为质量。在爱因斯坦的描述中，有质量的物体会使它周围的时空发生扭曲，物体的质量越大，时空就扭曲得越厉害。

 

如果你将时空看成一张大橡胶膜，然后往上面放一个露丝，那么她的质量就会把橡胶膜往下压，在旁近放一个杰克，你可以看到这个景象：

 

由于请不起这俩明星，这里只好用钢球替代一下了。图片来源：apbiolghs/youtube.com

 

可以看到，露丝球和杰克球分别造成的时空弯曲，让他们俩逐渐滚向了对方并最终亲密接触（哪里不对）。当然了，被另一半问到“你为什么被我吸引”时，如果你回答“因为你重”，后果自负。

 

太阳和地球的关系也是一样道理，只不过太阳的比地球质量大得多，造成的时空扭曲也更大，所以看上去，地球在绕着太阳旋转——按照广义相对论的思路，“引力”只是时空扭曲必然带来的现象。

 

由于不敢请这俩星球，也只好用砝码和玻璃珠替代一下。图片来源：apbiolghs/youtube.com

 

那么，当有质量的杰克和有质量的露丝加速跳起转圈舞的时候，他们周围的时空会发生什么？

 

图片来源：PiledHigherandDeeper(PHDComics)/youtube.com

 

起伏，震颤，波浪……你可以用各种各样的词形容你在上图看到的“时空扰动”。这种变化以波的形式向外传播，用听起来很厉害的说法讲，就是“引力波”，换文艺点的说法讲，就是“时空的涟漪”。

 

杰克和露丝跳舞所引起的那点涟漪更多只能被春心萌动的观众所感知，但质量巨大的系统，比如两个黑洞或两颗中子星快速相互绕转，它们产生的涟漪可就厉害了——像这种致密双星并合过程，所释放的能量，远超太阳一生释放的能量总和。而这么大的能量，通常会集中在最后一秒内爆发——那一刻，整个宇宙中所有别的天体释放功率的总和都及不上它，怕不怕！

 

 

2

但是！

它能做的，超乎你的想象...

 

 

别伤心。尽管引力波不是什么好料理，但它却有着令人惊叹的能力和性质——拜托，人家可是能以光速传播时空扰动的诶！

 

如果一串引力波迎面通过你，那么变高变瘦对于你而言将不再是梦想。当然，变矮变胖也一样。在引力波的作用下，你会不断发生拉伸和压缩，你会先变高变瘦，再变矮变胖，再变高变瘦，再变矮变胖……像是这样：

 

图片来源：MarkusPösselofEinsteinOnline.

 

当然，真实的变形幅度并没有那么大（幸亏如此）。即便是致密双星并合时产生的引力波，除非你就站在引力波波源附近，否则引力波只会把你的身高改变一丁点——大约是一个氢原子的100亿分之一。

 

除了这种扭曲时空的能力，引力波还有一个特别令人着迷的特点：高冷。

 

 

假设有一列引力波以平面波形式传播，那么它能在真空的宇宙空间中不带任何衰减地永远传递下去。只有碰到物质，比如半路迎来了一个你，它才可能会和你发生相互作用，而你能吸收一部分引力波携带的能量。

 

然而，这样的相互作用实在是少得可怜。即便你能在宇宙中堆满番茄酱，想要吸收掉1%的引力波能量，你的番茄酱墙需要大概 400万亿光年那么厚——可观测宇宙的尺度是1000亿光年左右，因此你需要4000个满是番茄酱的宇宙才能削弱引力波1%的能量。顺便提一下，这个过程需要花上400万亿年，而从现今的模型推测，我们的宇宙年龄在138亿年左右。

 

番茄酱：......我准备好了 图片来源：pinterest.com

 

也正因如此，引力波可以被用作窥探宇宙深处的工具。正如露丝的裙裾甩出的香水味可以透露她不属于三等舱，引力波也携带着关于波源的信息。如果人类能够截获这些信息，我们将能够利用全新的手段来研究黑洞、中子星等各种天体，弄清发生在宇宙彼端的故事。

 

更重要的是，由于有几乎不衰减的特性，它能帮我们洞悉整个宇宙的源头——不是某段爱情，某种生物，某颗行星或者某个星系的起源，而是整个宇宙的起源。引力波的存在一经证实，我们将以前所未有的方式看到塑造宇宙的力量。而一旦寻找到合适的引力波，人们将能够为大爆炸理论和宇宙膨胀理论找到有利的证据。

 

“同时那也将意味着我的预言又对了一个。”

 

想象一下在过去的所有时光，你对世界的理解都来源于道听途说，直到有一天，你能睁开双眼阅读关于宇宙的故事。对人类而言，获得探测引力波的能力，就相当于睁开了这样一双眼睛。

 

 

3

直接探测引力波

太！难！了！

 

 

爱因斯坦预言引力波存在已经是100年前的事了，但直到现在，科学家们搜集到的引力波存在的证据依然只是间接的。毕竟，直接探测引力波太难了——将刚刚用身高打的比方换成技术要求，这意味着引力波探测器要能够检测到约10^-21量级的长度变化。

 

这，能办到吗？

 

能倒是能。

 

20世纪90年代，麻省理工学院的莱纳·魏斯（RainerWeiss）想到了一个绝妙的点子：用激光的干涉来测量引力波。

 

简单来说，一束激光在经过一个半透镜后朝向两个互相垂直的方向前进，各自撞上一面反射镜，反射回来重新汇聚。理论上，只要反射镜与半透镜的距离精确一致，汇聚后的激光能够由于干涉而相互抵消。而一旦引力波经过，激光走过的距离被改变，干涉现象也会因此发生变化，从而被观测到。

 

这个点子后来受到了加州理工的著名引力学家基普·索恩（KipS.Thorne）的关注（对，这老人家就是《星际穿越》的科学顾问兼制片人）。他发现在魏斯的方法上加些合理的改进，可能行得通。

 

于是，加州理工和麻省理工开展合作，主导了两个激光干涉引力波观测台（LIGO）的建设。LIGO呈现巨大的L形，每一边都有4千米长。

 

位于华盛顿州汉福德的一台LIGO。另一台LIGO在美国路易斯安那州的列文斯顿。图片来源：i2u2.org

 

正常情况下，LIGO发出的激光相互抵消，探测器将接收不到光信号；但如果引力波经过，情况就有所区别了：

 

 

无论时空如何变化，光速是不变的。如果激光跑过的路程被引力波拉长或者压短，激光通过该边的时长就会发生变化，从而影响探测器的结果。理论上，测量到了这些变化，科学家们就相当于测量到了引力波。

 

果然是好点子对吧？

 

除了一点——从在附近疾驰而过的汽车到极其微弱的地震活动，从仪器的轻微起伏到人为的信号改动，多得要命的各色因素都可以成为影响引力波测量的噪音。这就好比要在极端嘈杂的聚餐现在分辨出用牙签在杯子上敲出的莫尔斯密码一样艰难——这也是为什么要在相隔甚远的两地各设置一台LIGO，两边同时观测到一致的数据，才更能说明问题。

 

只是这样还不够。在LIGO和意大利的VIRGO引力波探测器进行联合观测前，一个3人的秘密小组成立，专门负责“搞破坏”：他们有可能会在观测数据中人为地注入信号。

 

由于，所有其他成员都对这一过程一无所知，这种被称为“盲注”的手段能有效防止LIGO摆乌龙。2010年9月16日，LIGO和VIRGO同时探测到一个信号，方向大概来自大犬座。这个代号为“大犬事件”的消息立即让LIGO科学合作组织大为振奋。大量的研究工作围绕大犬事件展开，论文有待发表，新闻稿箭在弦上。

 

然后，盲注3人组出来宣布对此信号负责：大犬事件的数据，是他们人为放出的假信号。

 

......这是在逗我？

 

尽管这种让全人类空欢喜的事情简直是欺骗感情消耗资源浪费时间，但这都是为了最大限度地保持小心谨慎。一旦LIGO宣布引力波的探测结果，将没有任何办法检验这一论断。所以，LIGO科学合作组织必须采取一切手段来确认结果的真实性。至今的所有失望，都是为了在真正抓住引力波的那一天能够足够自信。

 

那么，除却各方面的干扰，LIGO探测到真正的引力波的机会有多大？由于LIGO的设置所满足的测量要求仅能用于测量邻近星系里中子星或黑洞并合产生的引力波，它每年能遇见的引力波事件大概在1/10000件到1件之间。也就是说，在想方设法排除假信号之后，研究者还需要足够好的运气才能等到引力波的降临。

 

运气？对科学家来说，那种东西可没技术靠得住。在停止运行、升级许多新技术以后，更新的高新激光干涉引力波天文台（aLIGO）去年正式投入运行。跟LIGO相比，aLIGO变得更加灵敏。在重新运行几个月后，LIGO科学合作组织有了新的消息——

 

4

谜底

就在此刻揭晓

 

 

我们检测到了引力波。我们做到了！！

 

在美国国家科学基金会召开的发布会上，LIGO研究者公布了aLIGO在2015年9月发现了一个引力波信号。这个信号源自两个巨大的黑洞，他们经历了漫长的绕转，融合，通过引力波辐射能量，越转越近，最终并合形成更大的黑洞。经过10亿年的漫长旅行，这次并合产生的一小部分引力波信号抵达了地球。LIGO在15年9月14日探测到了，最终将它命名为GW150914。

图为英国的科学家们正在进行发布前的科普

 

5

朝闻道

夕死可矣

 

 

刘慈欣的小说《朝闻道》中，掌握宇宙终极理论的外星文明“排险者”造访了地球。在那个世界里，寻找终极理论所必须的能量，将导致我们所在的宇宙毁灭；而为了多重宇宙的安全，他们又不能直接把终极理论的细节告诉人类。但是一位地球物理学家提出，可以绕过这个所谓的知识密封准则：

 

事就这样成了。他们用自己的生命，换取了短暂而永恒的领悟。

 

如果终极理论必将导致毁灭，那么排险者是如何得到它的呢？在小说中，答案就是引力波。上一个宇宙寻找终极理论的努力引发了真空衰变，但是在最后关头，他们将获取到的知识编码在引力波之中，发射了出去。排险者是我们宇宙中的第一个文明，也是唯一一个在引力波衰减到不可读之前破译了它的文明。

 

而现实中，站在排险者位置上的，也许其实是我们人类。

 

我们大概不会在真正的引力波里找到现成的终极理论。但是它所包含的信息，依然是创世的瞬间、黑洞的碰撞以及所有其他伟大的宇宙事件，甚至蕴含着引力的本质。而就像所有的信息一样，它不会永远存在下去。强大如LIGO的探测器，也只能探测到临近的中子星和黑洞碰撞产生的引力波蛛丝马迹；真正的宇宙历史性事件还在逐渐远去，引力波还在逐渐衰弱，宇宙还在逐渐膨胀，检测并理解它的难度只会越来越大。

 

引力波和物质之间的相互作用极度微弱，因此它的衰减也是极度缓慢的。可是，我们并不知道宇宙产生一个文明需要多久。刘慈欣在《三体》中用黑暗森林理论来解释费米悖论——为什么我们看不到外星人，但是现实中，有两个更加简单的可能解释：第一，智慧文明的诞生也许极端困难、极端罕见；第二，我们有可能是宇宙间第一批（甚至第一个）文明。

 

在这个意义上，我们也许将是最初和最后的人。宇宙并不在乎其间发生了什么，它自会按照自己的规律运行；而我们诞生在了一个幸运的时刻，或许能在不久的将来目睹终极理论的诞生，甚至可能将是唯一亲自见证这一瞬间的文明。宇宙最不可理解的事情在于它竟然是可以理解的，而倘若我们真的理解了它，那将何其有幸！朝闻道，夕死可矣；我们都将死去，但哪怕我们所创造的一切都将化为灰烬，我们依然能知道宇宙初生的那个黎明，和宇宙最终灭亡的那个夜晚。我们将凭知识超越时空——而今天，我们将在这条道路上迈出小小的又一步。

 

 

 

附：

 

引力波研究者亲述：我见证了十亿年前宇宙的涟漪

 

 

文︱LIGO科学合作组织成员胡一鸣，曾任南大天文爱好者协会会长，目前是德国马克斯-普朗克引力物理研究所、清华大学博士后，研究引力波。

 

10亿年以前，地球。

 

超级大陆罗迪尼亚大陆刚刚形成，地球上的生命大多数还是以单细胞的形式存在，部分生活在菌丛中，开始有分工分化，形成第一棵多细胞植物。没有人类，没有哺乳动物，连恐龙都还没有影子。

10亿年以前，宇宙深处。

 

两个巨大的黑洞在经历了漫长的绕转以后，通过引力波辐射能量，越转越近。长年累月的公转，已经让它们不堪重负，能量的损耗也在日渐加快。最后，它们终于放弃了抵抗，猛地撞到了一起。这两个黑洞消亡了。一个更巨大的新黑洞，诞生了，伴随着时空中被搅动的滔天巨浪，那是它这一生也许是唯一一次的啼哭。这个新生儿的第一声哭喊，以光的速度飞速向外传播……

 

通过分析数据，估计的信号来源的概率分布图。

 

巨浪变成了浪花……

 

岁月无声。

 

浪花化作涟漪……

 

经过10亿年的漫长旅行，一小部分引力波信号终于抵达了地球。地球其实并没什么特殊的，对引力波来说，物质几乎是透明的，穿过地球和穿过真空，并没有什么太大的差别。正如之前穿过这个普通行星的亿万次引力波信号一般，这一个信号没有任何的特别之处。

 

唯一的特殊在于，这一次，那些单细胞生命演化成了人类，他们研究出了数学和物理，捣鼓出了相对论和激光，还用激光编制出一张捕捉引力波的网。

 

雁过留痕。时空的涟漪，在不经意间拨动了激光编制的琴弦。

 

LIGO汉福德台址鸟瞰。图片来源：LIGOLaboratory/CoreyGray

 

于是，2015年9月14日，我的邮箱里收到了一封内部邮件，EventG184098。邮件里描述了实时分析数据的软件得到了一个显著性极高的候选对象。后来，它换了个名字，GW150914，在15年9月14日探测到的引力波（GW）。

 

这张捕捉引力波的网，叫做advancedLIGO，高新激光干涉仪引力波天文台，而参与建造、维护仪器，分析数据的1000多位科学家，组成了一个叫做LIGO科学合作组织的科研团队。

 

LIGO科学合作组织的成员单位一览。图片来源：LSC。

 

100年前，那个依然英俊的青年爱因斯坦经过十年的苦思悯想，参悟了时空和引力的本质，写下了划时代的公式。那个简洁美妙的公式，被后世的另一个才华横溢的学者约翰·惠勒总结为：时空命令物质如何运动，而物质引导时空如何弯曲。

 

100年后，经过几代科学家一个世纪的不懈努力，我们终于站在一个新时代的全新起点，迎来了人类探测到的第一个引力波信号。

 

LIGO科学合作组织的1000多名科学家在接下来的日子里忙坏了，分布全球的多个超级计算机开足了马力，想要将那一段短短数秒的信号背后的物理全部挖掘出来。慢慢的，如同盲人摸象般，我们开始一层层解开这一引力波信号的面纱。

 

我们知道，这个信号，先经过利文斯顿，再经过汉福德，两个探测器，相隔7毫秒，留下了几乎一模一样的波形。所以可以确定信号来自南天球。

 

我们知道，信号在0.2秒的时间从35赫兹蹿升到150赫兹。这是两个极重的恒星级别黑洞的并合，其中一个是太阳质量的29倍，另一个是太阳质量的36倍。在这短短的一眨眼间，有大约3倍于太阳质量的物质通过爱因斯坦的质能方程E=mc^2转化为了能量。

 

上图：两个探测器所观测到的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”如何随时间（秒）和频率（赫兹）变化。图片来源：LSC/Virgocollaboration

 

我们知道，这一过程的峰值功率为3.6x10^49 瓦，十倍于整个可观测宇宙的电磁波能量总和。如果这些能量以可见光的形式传播，那么即使是远在十亿光年之外的地球上，它的亮度也会轻松超过满月。

 

我们知道，在穿越地球时，“他强由他强，清风拂山岗；他横由他横，明月照大江”，引力波来无影去无踪，地球所吸收的能量，仅仅是10^-17焦，或者说相当于一个X射线光子的能量。

 

我们知道，它大约来自13亿光年以外，所以正应了星球大战的开篇：很久很久以前，一个很远很远的星系发生的惊心动魄的故事。

 

时空交错而成的池塘上，由于这一对黑洞的搅动，吹皱了一池春水。对于天文学家来说，这点点涟漪意味着我们有了黑洞存在的强有力证明：在并合之前的一瞬间，在如此小的间距内聚集着如此巨大的质量，除了黑洞实在是不做他想；它也意味着我们第一次观测到了双黑洞系统的存在；我们也确定了这种系统可以在足够短的时间（10亿年，对，足够短了）内并合；我们可以估算这一类时间的发生率，事实上，整个宇宙每时每刻都有黑洞双星并合，根据LIGO的数据，每15分钟就应该有一个引力波到达地球，当然，绝大部分都太过微弱而掩埋在噪声中；脑洞开得大一些，我们还可以这黑洞系统来自低金属丰度的前身星，其恒星风较弱，所以没带走太多质量。

 

 

这是一个伟大的时代，电磁波望远镜是人类的眼睛，看到这五彩缤纷的宇宙奇异瑰丽的美景；引力波探测器则是人类的耳朵，人类以前就像是聋子，现在终于可以聆听宇宙的呢喃。2015年9月14日，值得载入史册的一天。

 

这小小的时空的涟漪，无声无息地如鬼魅般穿过地球，对科学家来说却不亚于惊天巨雷。正如马克斯-普朗克引力物理研究所所长布鲁斯·艾伦所说：“爱因斯坦当初认为引力波太过微弱而无法探测，而他也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。”听到这个消息，爱因斯坦大概也会“垂死病中惊坐起，笑问客从何处来”吧。

 

然而，这段穿越地球的经历对那十亿年前出发的引力波来说仅仅是个小插曲，它将继续着它的旅程，前往下一个远方。

 

时空的涟漪，向远处荡开……

 

后记：作为一个天文爱好者，我时常仰望星空。写下这段文字的时候，我不禁联想，相对于这漫天星空，人类无论从质量，密度，尺度，温度还是从寿命来看，都渺小得无以复加，我们日常生活中所烦恼忧愁或喜极而涕的各种大事，在宇宙看来都不值一哂。然而正是由于插上了科学的翅膀，这渺小的人类可以尝试理解宇宙，把自己和这宏大的天体融合在一起。通过天文学，人类可以认识到自己的渺小，这不是让人无力，而是给人以“天地一沙鸥”的豁达。我时常庆幸自己何其幸运，能参与到这一科学探索的伟大历史中，做出自己些微的贡献。而在屏幕另一端的你，也处在一个幸运的时代，用你的电脑，一样可以为引力波的搜索做贡献！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/，你就可以下载Einstein@Home的程序，用你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。

 

本期编辑：李思阳

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引力波是什么东西？对人类有什么影响？

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听！这就是引力波的声音，穿越13亿年在这一秒与人类邂逅

我叫曹军威，来自清华大学。我是国际激光干涉引力波天文台（LIGO合作组织）的中国负责人。

我2004年加入美国麻省理工学院激光干涉引力波天文台的实验室，2006年回国，在清华大学创建了LIGO工作组，2009年我们加入LIGO。

我们加入这个组织工作了6年之后，在2016年2月11号，国际LIGO合作组织宣布直接探测到“引力波”。

今天我们想跟大家主要介绍三个方面的问题。

什么是“引力波”？

我们怎么探测“引力波”，为什么很难探测？

为什么我们认为探测到的是“引力波”而不是其他？

从科学工作者的角度，我会给大家一个非常详尽的介绍。什么是“引力波”？“引力波”从哪来？到底科学家直接看到了什么？我们直接看到的是这样的一个波形。

这两个波形在距离3000公里的美国两个激光干涉引力波天文台被同时监测到。

距离3000公里，光从一个天文台走到另外一个天文台的速度是10毫秒。实际上这两个波形它们之间相差了6.9毫秒。

当我们把一个模型平移了6.9毫秒以后，把两个曲线重合起来，大家可以看到关键的部分有非常高的重合度。

这个就是我们观测到的引力波的信号。

讲“引力波”的时候，我们会说听到了宇宙的声音。很多年前我们有了望远镜，我们说这叫看到了宇宙。

当引力波信号输入到音频以后，我们能听到什么？

最后一下，我们能听到“Biu”的一声，在频率上它已经非常非常突出了。所以我们说听到了“引力波”的声音。

“引力波”从哪里来？

双黑洞。

大家可能都听说过黑洞，它的质量很大，连光都逃逸不了。只有大质量的物体在剧烈的天体运行中，我们才有可能探测到“引力波”。

这对双黑洞的并合经过了三个过程，第一个过程是旋进，过程中放出“引力波”。放出的能量使得它们旋进的速度越来越快，它们的距离也越来越近，当它们近到一定程度以后，两个黑洞就会碰撞到一起。

第二个过程是碰撞，实际上就是一个“引力波”发射的过程。

第三个过程是衰减，它们形成了一个新的黑洞。这就是我们观测到的“引力波”的一个波源，我们称为“双黑洞合并”。

这个过程释放了“引力波”的意思是：有超大质量的物质，通过运动对引力场做了搅动，引力场中间的波动我们称为“引力波”。

双黑洞合并释放“引力波”这个过程，不仅仅是两个黑洞在旋绕，还包括了它周围引力场的变化。它们合并以后，会释放大量的“引力波”，我们称为“引力场中的波动”，这种波动携带了巨大的能量。

什么是“引力波”？

这要回到1915年爱因斯坦的广义相对论。

广义相对论想在几分钟之内跟大家讲清楚，是一件不太可能的事情。不过可以给大家说一个最基本的概念：物质和时空是互联的。

无论是这么大的天体还是一个人，都是一个物质的存在。而物质存在的同时，周围是有时空把物质联系在一起的。

最直观的解释就是太阳和地球之间的关系。

为什么地球会绕着太阳转？牛顿的解释是因为万有引力。引力是一个超距作用，引力和质量成正比，和距离成反比。

爱因斯坦则从另一个角度来解释。他不相信引力的传播会是超距作用。他认为如果有一天太阳突然消失了，地球会怎么样？地球可能就会飞出去。

地球怎么会知道太阳消失了呢？它为什么会飞出去？爱因斯坦就解释，太阳如果消失了，它的引力场就会变化，这件事通过引力场的变化传递给了地球，地球知道太阳消失了，于是它就飞出去了。

这个关系叫物质引导时空弯曲。

我们刚才讲了，有物质的同时，还有一个场的存在。而这个场就是时空。

太阳因为质量很大，他把时空做了弯曲，地球并不是心甘情愿围绕太阳转，它以为自己在走直线，但是它实际上受到太阳所形成的时空弯曲的引导。

时空引导物质运动，所以地球会围绕太阳转。

物质跟时空是互联的，这个互联就体现在“引力波”和能量的交换。在正常情况下不同时空之间很难发生作用。

但在极端的天体条件下，比如我们这次探测到的黑洞并合的瞬间，发出了巨大的能量，以波的形式，从其他时空传递过来，到达了地球。

在广义相对论的基础上，爱因斯坦于1916年预言了引力波的存在。

他认为任何加速运动的物质都会发出引力波。也就是说我跑两步，你走两步也可以有引力波，但这个引力波强度非常微弱，很难探测出来。

引力波会对时空产生什么样的作用？在多极的情况下，它在一个方向上会拉伸时间和空间，在另一个方向上会压缩时间和空间。

这个怎么理解？形象的理解就是：一张桌子，你用普通尺子去量，它是1米长。但如果尺子变了，你去量的时候，发现了这个桌子的长度也变化了。

引力波导致的是尺子的变化而不是物质的变化。

双黑洞合并导致时空弯曲，释放出这个引力波的过程中，如果我们把时空的效果再加进去，会是一个什么样的情况？

我们附加了下边这条线，是我们探测到的引力波的实际一个曲线。这是在不到1秒的时间内发生的一个事件：两个黑洞已经非常非常接近了，它们的旋进导致引力波的放出，然后旋进越来越近。

大家能看到不仅仅是两个物质间的运动，实际上是它们时空之间的相互作用。

当时空的弯曲作用逐渐接近，进入到非常剧烈的一个并合过程，在很短的瞬间释放出了巨大能量的引力波，使得这两个黑洞并合在了一起。这就是我们探测到的过程。

为什么引力波很难探测？

一是因为引力波源距离我们很远，二是即便有引力波，它跟物质的相互作用极小，一个引力波扫过你，你可能根本就没有任何的感觉。

在地球上一个氢弹的爆炸，所产生的引力波的量级是10的负27次方时空上的变化，这是我们无论如何也探测不到的。

必须有大质量天体的极端运动，才能产生足够让人类现在能探测到的引力波。这个量级有多少？

我们这次探测到了在10的负18次方时空里，有四个格之间我们发现了其中一格的空间晃动了一下。

为了探测到这个信号，我们建造了一个激光干涉引力波天文台，它台的臂长有4公里长，两个臂是垂直的，都有4公里。这里能看到光学的激光器件，信号是从这里被探测到。

这个天文台的基本工作原理是：一束激光打出来，翻成两束，再反射回来，如果两臂绝对等长，那在成像仪上就没有信号。

如果由于引力波的作用使得一个臂压缩，另一个臂拉伸，那就会在这个成像仪上产生信号。

时空都是相对的，唯有光速是绝对的，所以我们要借助激光这个媒介来测量空间的弯曲。我们来回放一下：我们想象的宇宙空间里，有着像水波纹一样的时空分布。

如果这里面有像黑洞这么大的物质，开始在里面对时空进行搅动的话，它就会不断地释放出引力波，这个引力波是在物质周围，跟物质联系在一起。

旋转越快、越近，引力波放出的能量就越大。最终这两个黑洞并合在了一起。

经过我们后面的推算，我们探测到的这个引力波信号，发生在13亿年前，经过了很多很多星系，最终来到了地球，这个过程只有一秒的时间。

而我们就在这一秒的之前的一个礼拜，把两个天文台做好了，刚刚好可以达到能探测到它的精度。

所以你说幸运不幸运？你说美不美？

通过我们的波形，推算出这两个黑洞的质量，一个相当于太阳质量的29倍，一个相当于太阳质量的36倍。并合以后的黑洞是62个太阳质量。

也就是说在不到1秒里面，有三个太阳质量的能量，瞬间从物质导入了时空，产生了一个巨大的引力波。

大家可以想象这个量级：太阳已经存在了45亿年，而且还将存在45亿年，它生命全过程中释放出来的能量，供地球用都用不完。

而三个太阳质量的能量，在不到一秒钟的时间内释放了出来，经过了13亿年传到了地球，我们才有机会在不到1秒的过程中捕捉到它、探测到它，这就是事件全过程。

为了做到这件事，我们的探测器达到了很多人类所能达到的技术极限。

第一是探测臂外面有一个罩，里面是一个真空腔，这是全世界最大的真空系统，4公里长。

而且我们等于有两个这种真空系统，它们在中间交叉了一下。因为真空能避免各种分子运动在空气中的干扰，所以我们要在真空里才把激光束打出。

我们打的激光也不能是一般的激光。必须是能量高又稳定的激光才能实现精密测量。

反射这激光的镜面必须质量非常好，激光打上去以后，由于热运动镜面开始变形，而必须排除各种干扰，我们才能探测到10的负18次方这样的精度，所以这个镜面也是特殊制造的。

悬挂这个镜面的机械装置是最稳定的一个振动隔离系统，外边不论怎么振，这个镜子必须不动。

最后，我们需要一个数据的采集和分析系统。我本人是计算机专业出身，所以我更多的工作是放在这个系统上。

2015年9月14日，5点51分，这个信号被捕捉到，进入到我们的数据分析系统。

9月14号5点54分，在3分钟之后，我们在线的程序流水线就发出了警告，告诉我们有这样一个信号值得关注。

这个程序流水线的名字叫Coherent WaveBurst，它做了一件非常简单的事情：计算这个波形的能量变化。发现在两个天文台捕捉到这样的能量变化，而且时间差距在10毫秒以内，我们就把这个信号提取出来。

认为这可能是一个引力波信号。

前面我们既讲了什么叫引力波的基础理论，又讲了我们怎么探测到引力波。

下面我就讲一下，为什么我们这么确信这个信号就是个引力波，而不是其他的东西？

我们把收集到的16天的数据都输入到这张图里面去，大家可以看到，左边是代表我们所有的信号的背景，右边这个点就是我们探测到的信号。

探测到的信号，远离我们整个数据的背景，远离的程度是多少？它的信噪比在23以上，它在天文上的标准显示度达到了5.1σ值。

在天文上，5以上我们认为就是一个新发现。我们没有机会对黑洞放出的引力波做实证的对比，因为我们现在还没有任何方式能观测到黑洞。那么我们做了一个仿真的对比。

上面是一个黑洞并合的过程，这个红线叫数值广义相对论的一个仿真曲线，这个灰线是从第一张PPT的数据中重构出来的——一个我们认为是引力波的曲线。

大家能看到这两个曲线的相似度在99%以上。在旋进并合到渐退的过程，它从35赫兹到350赫兹，在不到一秒的过程中剧变然后消退。

这不是一个普通的噪声所能伪装出来的信号，一个噪声想伪装成这样的一个信号的概率，20万年才会有一次。这件事加强了我们的信心。

通过这样一个对比，我们非常有信心：这是一个引力波的信号。

这项工作，有来自全世界一百多个科研机构的上千名科学家参与。从90年代开始建设天文台，到现在探测到引力波，历经20余年，清华大学是中国的唯一的参与单位。

这件事的理论意义，我想用这句话是最准确的概括了：

引力波的探测，是爱因斯坦在1915年提出的广义相对论在最极端最严格情况下的一个验证。

等于说是填补了广义相对论四大验证中最后的一块板块。

在天文上的意义在于说我们开始能够听到宇宙，打开了一扇探索宇宙的新窗口，开启了引力波天文学的一个新时代。

未来的工作很简单，这张图标识了我们用两个天文台来定位引力波源的一个精度。

这个精度还是很粗糙的，它不足以支撑我们未来精确的引力波天文学的研究。

未来我们要建设全球的引力波探测网络，这样的一个网络在美国已经运行，在欧洲和日本建设，甚至在印度也开始筹划，中国也在紧锣密鼓的计划中国主导下的引力波天文台的建设。

很多人都问我，你这个东西有什么用呢？

现在我可以明确地告诉大家，没有现实意义上能挣钱的应用。但是我想最起码在刚才的几十分钟里，它给我们了一个机会，让我们大家在一起去仰望星空。

引力波到底美不美？从刚才我给大家介绍的一系列数字之中，大家可以来想像自然和宇宙是如此的神奇。

13亿光年，65个太阳质量，在一秒钟之内放出了这么大的能量，而在10的负18次方的量级上探测到引力波的存在。

实际上我想讲的并不是自然有多神奇，我更想强调的是，人类居然能够理解这件事，是不是更神奇？

居然有爱因斯坦这样的人，在100年前就写下了方程，预言到了这件事。

而在100年后，居然有人就能做出这样的仪器，把它探测出来。

所以我想到底美不美，大家每个人心中都有你们自己的一个答案。

很多人也问我，到底时空穿越，星舰文明有没有可能？我想没有不可能的事情。

如果有一天，我们有了远航的星舰文明，它将会回想和2016年2月11号这一天，人类探测到引力波。这是一个历史的起点，而不是终点。

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什么是引力波？什么是ligo？这个发现到底有多重要？

引力波是通过LIGO探测器发现的： 引力波本质上是空间的形变在传播。如果引力波传到地球，我们会在一个方向上被拉伸，在另一个方向上被挤压。LIGO计划就是要测量这种效应。LIGO有两条长臂，相互垂直。每条臂长达4公里。LIGO的长臂实际上是高度真空的长管。在每条长臂的两段悬挂着直径34厘米的反射镜，LIGO探测器利用激光干涉，不间断的测量每对反射镜之间的距离。　　LIGO探测器一共的建成了两座，分别位于美国的华盛顿州和路易斯安那州，两地相距3000公里。引力波以光速传播，因此如果一束可探测的引力波扫过地球，两座LIGO探测器探测到信号的时间将有10毫秒量级的时间差。精确测量这个时间差可以帮助研究者确定引力波发出的方向。引力波的作用：1、理论上：引力的研究非常困难。在我们日常接触的大多数领域，广义相对论效应并不明显。我们至今只能通过天体运动，光线弯折等有限的方法研究引力。而这些方法仍然只能探测较弱的引力场，远远触及不到黑洞视界附近最为扭曲的空间。而引力波探测将打开一扇新的窗子，帮助人们了解空间最扭曲部分的动态变化——这种动态过程被基普·索恩称作几何动力学过程——使人们以前所未有的精度理解广义相对论（或者证伪它）。2、宇宙中：如果没有引力波，目前所有天体的排布会全乱套，宇宙可能也不复存在。3、近期作用：多了一种探测宇宙、研究基本物理的方法。4、远期作用：对发现暗物质、暗能量可能会有帮助；也可能有助于人类理解、实践时空穿梭（或证明不可行）。

到底什么是引力波？能不能解释得通俗一点？

西人前几天曝出的所谓引力波，也只是它们的一面之词，用它们的观测手段观测处到的现象到底是声波还是其他什么波，鬼知道。有些东西看看就行，不必当真。当时***也只是假设而已。我还是比较相信牛顿的引力理论，后来被***推翻了待之什么时空扭曲，不可信。有质量就会产生时空波动，请问空间怎么会波动？一个立方米的空间不管你充斥其中的物质如何变化，它永远是一个立方米，何来波动。