• 這一探測證實(shí)了阿爾伯特·愛因斯坦1915年發(fā)表的廣義相對論的一個(gè)重要預(yù)言，并開啟了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口。

• 清華大學(xué)信息技術(shù)研究院LIGO科學(xué)合作組織工作組參與了引力波直接探測并作出貢獻(xiàn)。

• 中國亟需自主建設(shè)引力波天文臺(tái)、培養(yǎng)跨領(lǐng)域人才、加強(qiáng)國際合作，進(jìn)而帶動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新和科學(xué)發(fā)現(xiàn)，推動(dòng)我國引力波研究的發(fā)展。

在各界對2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的預(yù)測中，引力波領(lǐng)域都是最大熱門，獲獎(jiǎng)可以說是眾望所歸。遺憾的是，在LIGO的三位最初發(fā)起者中，加州理工學(xué)院物理學(xué)榮休教授羅納德·W.P·德雷福（Ronald W.P.Drever）在今年3月6日于愛丁堡逝世。

如今，Rainer Weiss、Kip S.Thorne、Barry Barish三人憑借對LIGO探測器和引力波觀測的決定性貢獻(xiàn)（for decisive contributions to the LIGO detector and the observation of gravitational waves）獲獎(jiǎng)，也算可以告慰愛因斯坦、約瑟夫.韋伯、德雷弗等歷代先賢在天之靈。

所謂LIGO系統(tǒng)，是由兩個(gè)相距1865英里的孿生探測器組成。每個(gè)探測器擁有兩個(gè)長4公里的L形真空管，科學(xué)家會(huì)在其中發(fā)射激光束。

隨著激光束到達(dá)真空管的末端，它會(huì)碰到鏡子并被反射回相反的方向。在所有條件一樣的情況下，兩束激光理應(yīng)在同一時(shí)間返回發(fā)射源。由于干涉效應(yīng)的作用，這會(huì)讓射向光子探測器的光線相消。

然而，如果引力波通過了探測器，根據(jù)阿爾伯特·愛因斯坦在100年前做出的預(yù)言，這種波會(huì)拉伸一個(gè)真空管的長度，同時(shí)收縮另一個(gè)真空管的長度，從而破壞上述完美的干涉相消機(jī)制，讓光線到達(dá)光子探測器。

如今，大約有950名科學(xué)家參與了LIGO的研究工作，他們來自全美各地以及另外15個(gè)國家的大學(xué)院校，曾經(jīng)光臨造就做專題演講的曹軍威，就是國際激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO合作組織）的中國負(fù)責(zé)人。

曹軍威

對于引力波領(lǐng)域獲得諾獎(jiǎng)的消息，曹軍威回復(fù)：

“這一探測證實(shí)了阿爾伯特·愛因斯坦1915年發(fā)表的廣義相對論的一個(gè)重要預(yù)言，并開啟了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口。

清華大學(xué)信息技術(shù)研究院LIGO科學(xué)合作組織工作組參與了引力波直接探測并作出貢獻(xiàn)。

中國亟需自主建設(shè)引力波天文臺(tái)、培養(yǎng)跨領(lǐng)域人才、加強(qiáng)國際合作，進(jìn)而帶動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新和科學(xué)發(fā)現(xiàn)，推動(dòng)我國引力波研究的發(fā)展。

以下是曹軍威在造就關(guān)于引力波的精彩演講：

各位朋友下午好。我叫曹軍威，來自清華大學(xué)。我是國際激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO合作組織）的中國負(fù)責(zé)人。我今天演講的題目叫《你所不知道的引力波之美》。我2004年加入美國麻省理工學(xué)院激光干涉引力波天文臺(tái)的實(shí)驗(yàn)室，2006年回國，在清華大學(xué)創(chuàng)建了LIGO工作組，2009年我們加入LIGO。我們加入這個(gè)組織工作了6年之后，在2016年2月11號(hào)，國際LIGO合作組織宣布直接探測到“引力波”。

今天我們想跟大家主要介紹三個(gè)方面的問題。

• 什么是“引力波”？

• 我們怎么探測“引力波”，為什么很難探測？

• 為什么我們認(rèn)為探測到的是“引力波”而不是其他？

從科學(xué)工作者的角度，我會(huì)給大家一個(gè)非常詳盡的介紹。什么是“引力波”？“引力波”從哪來？到底科學(xué)家直接看到了什么？我們直接看到的是這樣的一個(gè)波形。

這兩個(gè)波形在距離3000公里的美國兩個(gè)激光干涉引力波天文臺(tái)被同時(shí)監(jiān)測到。距離3000公里，光從一個(gè)天文臺(tái)走到另外一個(gè)天文臺(tái)的速度是10毫秒。實(shí)際上這兩個(gè)波形它們之間相差了6.9毫秒。當(dāng)我們把一個(gè)模型平移了6.9毫秒以后，把兩個(gè)曲線重合起來，大家可以看到關(guān)鍵的部分有非常高的重合度。這個(gè)就是我們觀測到的引力波的信號(hào)。

講“引力波”的時(shí)候，我們會(huì)說聽到了宇宙的聲音。很多年前我們有了望遠(yuǎn)鏡，我們說這叫看到了宇宙。當(dāng)引力波信號(hào)輸入到音頻以后，我們能聽到什么？

最后一下，我們能聽到“Biu”的一聲，在頻率上它已經(jīng)非常非常突出了。所以我們說聽到了“引力波”的聲音。

“引力波”從哪里來？

雙黑洞。

大家可能都聽說過黑洞，它的質(zhì)量很大，連光都逃逸不了。只有大質(zhì)量的物體在劇烈的天體運(yùn)行中，我們才有可能探測到“引力波”。這對雙黑洞的并合經(jīng)過了三個(gè)過程，第一個(gè)過程是旋進(jìn)，過程中放出“引力波”。放出的能量使得它們旋進(jìn)的速度越來越快，它們的距離也越來越近，當(dāng)它們近到一定程度以后，兩個(gè)黑洞就會(huì)碰撞到一起。第二個(gè)過程是碰撞，實(shí)際上就是一個(gè)“引力波”發(fā)射的過程。第三個(gè)過程是衰減，它們形成了一個(gè)新的黑洞。這就是我們觀測到的“引力波”的一個(gè)波源，我們稱為“雙黑洞合并”。

這個(gè)過程釋放了“引力波”的意思是：有超大質(zhì)量的物質(zhì)，通過運(yùn)動(dòng)對引力場做了攪動(dòng)，引力場中間的波動(dòng)我們稱為“引力波”。雙黑洞合并釋放“引力波”這個(gè)過程，不僅僅是兩個(gè)黑洞在旋繞，還包括了它周圍引力場的變化。它們合并以后，會(huì)釋放大量的“引力波”，我們稱為“引力場中的波動(dòng)”，這種波動(dòng)攜帶了巨大的能量。

什么是“引力波”？

這要回到1915年愛因斯坦的廣義相對論。

廣義相對論想在幾分鐘之內(nèi)跟大家講清楚，是一件不太可能的事情。不過可以給大家說一個(gè)最基本的概念：物質(zhì)和時(shí)空是互聯(lián)的。無論是這么大的天體還是一個(gè)人，都是一個(gè)物質(zhì)的存在。而物質(zhì)存在的同時(shí)，周圍是有時(shí)空把物質(zhì)聯(lián)系在一起的。

最直觀的解釋就是太陽和地球之間的關(guān)系。

為什么地球會(huì)繞著太陽轉(zhuǎn)？牛頓的解釋是因?yàn)槿f有引力。

引力是一個(gè)超距作用，引力和質(zhì)量成正比，和距離成反比。愛因斯坦則從另一個(gè)角度來解釋。他不相信引力的傳播會(huì)是超距作用。他認(rèn)為如果有一天太陽突然消失了，地球會(huì)怎么樣？地球可能就會(huì)飛出去。地球怎么會(huì)知道太陽消失了呢？它為什么會(huì)飛出去？愛因斯坦就解釋，太陽如果消失了，它的引力場就會(huì)變化，這件事通過引力場的變化傳遞給了地球，地球知道太陽消失了，于是它就飛出去了。這個(gè)關(guān)系叫物質(zhì)引導(dǎo)時(shí)空彎曲。

我們剛才講了，有物質(zhì)的同時(shí)，還有一個(gè)場的存在。而這個(gè)場就是時(shí)空。太陽因?yàn)橘|(zhì)量很大，他把時(shí)空做了彎曲，地球并不是心甘情愿圍繞太陽轉(zhuǎn)，它以為自己在走直線，但是它實(shí)際上受到太陽所形成的時(shí)空彎曲的引導(dǎo)。時(shí)空引導(dǎo)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，所以地球會(huì)圍繞太陽轉(zhuǎn)。物質(zhì)跟時(shí)空是互聯(lián)的，這個(gè)互聯(lián)就體現(xiàn)在“引力波”和能量的交換。在正常情況下不同時(shí)空之間很難發(fā)生作用。但在極端的天體條件下，比如我們這次探測到的黑洞并合的瞬間，發(fā)出了巨大的能量，以波的形式，從其他時(shí)空傳遞過來，到達(dá)了地球。

在廣義相對論的基礎(chǔ)上，愛因斯坦于1916年預(yù)言了引力波的存在。

他認(rèn)為任何加速運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)都會(huì)發(fā)出引力波。也就是說我跑兩步，你走兩步也可以有引力波，但這個(gè)引力波強(qiáng)度非常微弱，很難探測出來。

引力波會(huì)對時(shí)空產(chǎn)生什么樣的作用？

在多極的情況下，它在一個(gè)方向上會(huì)拉伸時(shí)間和空間，在另一個(gè)方向上會(huì)壓縮時(shí)間和空間。

這個(gè)怎么理解？

形象的理解就是：一張桌子，你用普通尺子去量，它是1米長。但如果尺子變了，你去量的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)了這個(gè)桌子的長度也變化了。

引力波導(dǎo)致的是尺子的變化而不是物質(zhì)的變化。

雙黑洞合并導(dǎo)致時(shí)空彎曲，釋放出這個(gè)引力波的過程中，如果我們把時(shí)空的效果再加進(jìn)去，會(huì)是一個(gè)什么樣的情況？

我們附加了下邊這條線，是我們探測到的引力波的實(shí)際一個(gè)曲線。這是在不到1秒的時(shí)間內(nèi)發(fā)生的一個(gè)事件：兩個(gè)黑洞已經(jīng)非常非常接近了，它們的旋進(jìn)導(dǎo)致引力波的放出，然后旋進(jìn)越來越近。大家能看到不僅僅是兩個(gè)物質(zhì)間的運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上是它們時(shí)空之間的相互作用。

當(dāng)時(shí)空的彎曲作用逐漸接近，進(jìn)入到非常劇烈的一個(gè)并合過程，在很短的瞬間釋放出了巨大能量的引力波，使得這兩個(gè)黑洞并合在了一起。這就是我們探測到的過程。

為什么引力波很難探測？

一是因?yàn)橐Σㄔ淳嚯x我們很遠(yuǎn)，二是即便有引力波，它跟物質(zhì)的相互作用極小，一個(gè)引力波掃過你，你可能根本就沒有任何的感覺。在地球上一個(gè)氫彈的爆炸，所產(chǎn)生的引力波的量級(jí)是10的負(fù)27次方時(shí)空上的變化，這是我們無論如何也探測不到的。必須有大質(zhì)量天體的極端運(yùn)動(dòng)，才能產(chǎn)生足夠讓人類現(xiàn)在能探測到的引力波。這個(gè)量級(jí)有多少？

我們這次探測到了在10的負(fù)18次方時(shí)空里，有四個(gè)格之間我們發(fā)現(xiàn)了其中一格的空間晃動(dòng)了一下。為了探測到這個(gè)信號(hào)，我們建造了一個(gè)激光干涉引力波天文臺(tái)，它臺(tái)的臂長有4公里長，兩個(gè)臂是垂直的，都有4公里。這里能看到光學(xué)的激光器件，信號(hào)是從這里被探測到。

這個(gè)天文臺(tái)的基本工作原理是：一束激光打出來，翻成兩束，再反射回來，如果兩臂絕對等長，那在成像儀上就沒有信號(hào)。如果由于引力波的作用使得一個(gè)臂壓縮，另一個(gè)臂拉伸，那就會(huì)在這個(gè)成像儀上產(chǎn)生信號(hào)。

時(shí)空都是相對的，唯有光速是絕對的，所以我們要借助激光這個(gè)媒介來測量空間的彎曲。我們來回放一下：我們想象的宇宙空間里，有著像水波紋一樣的時(shí)空分布。

如果這里面有像黑洞這么大的物質(zhì)，開始在里面對時(shí)空進(jìn)行攪動(dòng)的話，它就會(huì)不斷地釋放出引力波，這個(gè)引力波是在物質(zhì)周圍，跟物質(zhì)聯(lián)系在一起。旋轉(zhuǎn)越快、越近，引力波放出的能量就越大。最終這兩個(gè)黑洞并合在了一起。

經(jīng)過我們后面的推算，我們探測到的這個(gè)引力波信號(hào)，發(fā)生在13億年前，經(jīng)過了很多很多星系，最終來到了地球，這個(gè)過程只有一秒的時(shí)間。

而我們就在這一秒的之前的一個(gè)禮拜，把兩個(gè)天文臺(tái)做好了，剛剛好可以達(dá)到能探測到它的精度。

所以你說幸運(yùn)不幸運(yùn)？你說美不美？通過我們的波形，推算出這兩個(gè)黑洞的質(zhì)量，一個(gè)相當(dāng)于太陽質(zhì)量的29倍，一個(gè)相當(dāng)于太陽質(zhì)量的36倍。并合以后的黑洞是62個(gè)太陽質(zhì)量。也就是說在不到1秒里面，有三個(gè)太陽質(zhì)量的能量，瞬間從物質(zhì)導(dǎo)入了時(shí)空，產(chǎn)生了一個(gè)巨大的引力波。

大家可以想象這個(gè)量級(jí)：太陽已經(jīng)存在了45億年，而且還將存在45億年，它生命全過程中釋放出來的能量，供地球用都用不完。

而三個(gè)太陽質(zhì)量的能量，在不到一秒鐘的時(shí)間內(nèi)釋放了出來，經(jīng)過了13億年傳到了地球，我們才有機(jī)會(huì)在不到1秒的過程中捕捉到它、探測到它，這就是事件全過程。

為了做到這件事，我們的探測器達(dá)到了很多人類所能達(dá)到的技術(shù)極限。

第一是探測臂外面有一個(gè)罩，里面是一個(gè)真空腔，這是全世界最大的真空系統(tǒng)，4公里長。而且我們等于有兩個(gè)這種真空系統(tǒng)，它們在中間交叉了一下。因?yàn)檎婵漳鼙苊飧鞣N分子運(yùn)動(dòng)在空氣中的干擾，所以我們要在真空里才把激光束打出。

我們打的激光也不能是一般的激光。必須是能量高又穩(wěn)定的激光才能實(shí)現(xiàn)精密測量。反射這激光的鏡面必須質(zhì)量非常好，激光打上去以后，由于熱運(yùn)動(dòng)鏡面開始變形，而必須排除各種干擾，我們才能探測到10的負(fù)18次方這樣的精度，所以這個(gè)鏡面也是特殊制造的。

懸掛這個(gè)鏡面的機(jī)械裝置是最穩(wěn)定的一個(gè)振動(dòng)隔離系統(tǒng)，外邊不論怎么振，這個(gè)鏡子必須不動(dòng)。

最后，我們需要一個(gè)數(shù)據(jù)的采集和分析系統(tǒng)。我本人是計(jì)算機(jī)專業(yè)出身，所以我更多的工作是放在這個(gè)系統(tǒng)上。2015年9月14日，5點(diǎn)51分，這個(gè)信號(hào)被捕捉到，進(jìn)入到我們的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。

9月14號(hào)5點(diǎn)54分，在3分鐘之后，我們在線的程序流水線就發(fā)出了警告，告訴我們有這樣一個(gè)信號(hào)值得關(guān)注。這個(gè)程序流水線的名字叫Coherent WaveBurst，它做了一件非常簡單的事情：計(jì)算這個(gè)波形的能量變化。發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)天文臺(tái)捕捉到這樣的能量變化，而且時(shí)間差距在10毫秒以內(nèi)，我們就把這個(gè)信號(hào)提取出來。認(rèn)為這可能是一個(gè)引力波信號(hào)。前面我們既講了什么叫引力波的基礎(chǔ)理論，又講了我們怎么探測到引力波。

下面我就講一下，為什么我們這么確信這個(gè)信號(hào)就是個(gè)引力波，而不是其他的東西？

我們把收集到的16天的數(shù)據(jù)都輸入到這張圖里面去，大家可以看到，左邊是代表我們所有的信號(hào)的背景，右邊這個(gè)點(diǎn)就是我們探測到的信號(hào)。探測到的信號(hào)，遠(yuǎn)離我們整個(gè)數(shù)據(jù)的背景，遠(yuǎn)離的程度是多少？它的信噪比在23以上，它在天文上的標(biāo)準(zhǔn)顯示度達(dá)到了5.1σ值。在天文上，5以上我們認(rèn)為就是一個(gè)新發(fā)現(xiàn)。我們沒有機(jī)會(huì)對黑洞放出的引力波做實(shí)證的對比，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在還沒有任何方式能觀測到黑洞。那么我們做了一個(gè)仿真的對比。

上面是一個(gè)黑洞并合的過程，這個(gè)紅線叫數(shù)值廣義相對論的一個(gè)仿真曲線，這個(gè)灰線是從第一張PPT的數(shù)據(jù)中重構(gòu)出來的——一個(gè)我們認(rèn)為是引力波的曲線。大家能看到這兩個(gè)曲線的相似度在99%以上。在旋進(jìn)并合到漸退的過程，它從35赫茲到350赫茲，在不到一秒的過程中劇變?nèi)缓笙?。這不是一個(gè)普通的噪聲所能偽裝出來的信號(hào)，一個(gè)噪聲想偽裝成這樣的一個(gè)信號(hào)的概率，20萬年才會(huì)有一次。這件事加強(qiáng)了我們的信心。通過這樣一個(gè)對比，我們非常有信心：這是一個(gè)引力波的信號(hào)。

這項(xiàng)工作，有來自全世界一百多個(gè)科研機(jī)構(gòu)的上千名科學(xué)家參與。從90年代開始建設(shè)天文臺(tái)，到現(xiàn)在探測到引力波，歷經(jīng)20余年，清華大學(xué)是中國的唯一的參與單位。

這件事的理論意義，我想用這句話是最準(zhǔn)確的概括了：

引力波的探測，是愛因斯坦在1915年提出的廣義相對論在最極端最嚴(yán)格情況下的一個(gè)驗(yàn)證。

等于說是填補(bǔ)了廣義相對論四大驗(yàn)證中最后的一塊板塊。在天文上的意義在于說我們開始能夠聽到宇宙，打開了一扇探索宇宙的新窗口，開啟了引力波天文學(xué)的一個(gè)新時(shí)代。

未來的工作很簡單，這張圖標(biāo)識(shí)了我們用兩個(gè)天文臺(tái)來定位引力波源的一個(gè)精度。這個(gè)精度還是很粗糙的，它不足以支撐我們未來精確的引力波天文學(xué)的研究。

未來我們要建設(shè)全球的引力波探測網(wǎng)絡(luò)，這樣的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)在美國已經(jīng)運(yùn)行，在歐洲和日本建設(shè)，甚至在印度也開始籌劃，中國也在緊鑼密鼓的計(jì)劃中國主導(dǎo)下的引力波天文臺(tái)的建設(shè)。

很多人都問我，你這個(gè)東西有什么用呢？

現(xiàn)在我可以明確地告訴大家，沒有現(xiàn)實(shí)意義上能掙錢的應(yīng)用。但是我想最起碼在剛才的幾十分鐘里，它給我們了一個(gè)機(jī)會(huì)，讓我們大家在一起去仰望星空。

引力波到底美不美？從剛才我給大家介紹的一系列數(shù)字之中，大家可以來想像自然和宇宙是如此的神奇。

13億光年，65個(gè)太陽質(zhì)量，在一秒鐘之內(nèi)放出了這么大的能量，而在10的負(fù)18次方的量級(jí)上探測到引力波的存在。

實(shí)際上我想講的并不是自然有多神奇，我更想強(qiáng)調(diào)的是，人類居然能夠理解這件事，是不是更神奇？

居然有愛因斯坦這樣的人，在100年前就寫下了方程，預(yù)言到了這件事。而在100年后，居然有人就能做出這樣的儀器，把它探測出來。所以我想到底美不美，大家每個(gè)人心中都有你們自己的一個(gè)答案。

很多人也問我，到底時(shí)空穿越，星艦文明有沒有可能？我想沒有不可能的事情。

在演講的結(jié)尾，曹軍威說：

如果有一天，我們有了遠(yuǎn)航的星艦文明，它將會(huì)回想和2016年2月11號(hào)這一天，人類探測到引力波。這是一個(gè)歷史的起點(diǎn)，而不是終點(diǎn)。

造就說：

公元2017年10月3號(hào)這天也將會(huì)被永久銘記，人類正式開啟了引力波天文學(xué)的新時(shí)代，形成引力波觀測觸發(fā)下的多信使天文學(xué)。

造就還曾經(jīng)獨(dú)家專訪LIGO實(shí)驗(yàn)室首席探測科學(xué)家彼得·弗雷斯切爾，深談引力波探測細(xì)節(jié)：

三位獲獎(jiǎng)?wù)?/H2>

基普·索恩（Kip S. Thorne）

基普·索恩是美國理論物理學(xué)家，擔(dān)任加州理工學(xué)院費(fèi)曼理論物理學(xué)教授，是世界上研究廣義相對論下的天體物理學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者之一，他的主要貢獻(xiàn)在于引力物理和天體物理學(xué)領(lǐng)域.很多活躍于相關(guān)領(lǐng)域的新一代科學(xué)家都曾經(jīng)過他的培養(yǎng)和訓(xùn)練。

基普·索恩曾擔(dān)任影片《星際穿越》的科學(xué)顧問，《星際穿越》上映前后，"諾蘭的Group"會(huì)至少發(fā)兩篇論文，一篇黑洞物理，一篇計(jì)算機(jī)圖形。2016年5月31日，獲得邵逸夫天文學(xué)獎(jiǎng)。2016年12月4日，獲特別基礎(chǔ)物理學(xué)獎(jiǎng)（共同獲獎(jiǎng)）。

索恩的研究方向主要為相對論天體物理學(xué)和引力物理，著重于對相對論性星體和黑洞，特別是引力波的研究。

對于公眾而言，索恩最著名且富有爭議的理論可能就是他關(guān)于蟲洞或許能夠作為時(shí)間旅行工具的假說。不過，索恩真正的科學(xué)貢獻(xiàn)其實(shí)涵蓋了廣義相對論里以時(shí)空和引力本性為中心的幾乎全部的話題。

長久以來，索恩給予了LIGO盡可能多的理論支持，包括指明了LIGO所要探測的目標(biāo)波源，設(shè)計(jì)了光束管道中用來控制散射光的反射板。

他還和莫斯科的弗拉基米爾·布拉金斯基的研究小組合作研究開發(fā)了用于新一代引力波探測器的量子非破壞性測量（QND）器件設(shè)計(jì)，并提出了降低影響引力波探測器的主要噪聲之一，即熱彈性噪聲的數(shù)種解決方案。

雷納·韋斯(Rainer Weiss)

雷納·韋斯，1932年出生于德國，麻省理工學(xué)院（MIT）物理學(xué)家，1966年便設(shè)想出一種探測引力波的方法，2015年9月1000名利用激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）開展研究的物理學(xué)家在兩個(gè)巨大黑洞位于距地球10億光年的地方相互圍繞著旋轉(zhuǎn)時(shí)，探測到其輻射出的脈沖波。2017年9月21日，獲得第二屆“復(fù)旦-中植科學(xué)獎(jiǎng)"。

關(guān)于韋斯教授，造就曾發(fā)布過由《麻省理工學(xué)院新聞》（MIT News）做的專門訪談。（傳送門 | 獨(dú)家專訪LIGO首席科學(xué)家：引力波可以用來發(fā)現(xiàn)外星人嗎？）

巴里.巴里什（Barry Barish）

巴里.巴里什，加州理工大學(xué)教授，LIGO實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)任主任，領(lǐng)導(dǎo)了LIGO建設(shè)及初期運(yùn)行，建立了LIGO國際科學(xué)合作，他把LIGO從幾個(gè)研究小組從事的小科學(xué)成功地轉(zhuǎn)化成了涉及眾多成員并且依賴大規(guī)模設(shè)備的大科學(xué)，最終使引力波探測成為可能。

業(yè)界先賢

約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）

約瑟夫·韋伯，美國物理學(xué)家。1969年，韋伯宣稱，他已取得很多人認(rèn)為是不可能的成就：探測引力波。這一宣布使人們立即對韋伯刮目相看，全美各地紛紛邀請他去做報(bào)告。但韋伯的名望很快遇到了挑戰(zhàn)，越來越多的人開始懷疑他所得出的結(jié)果的正確性，展開曠日持久的大論戰(zhàn)。

1969年底，韋伯在權(quán)威雜志《物理評(píng)論快訊》上列出一系列零時(shí)延遲事件的超出值，并聲明這是真正的引力波跡象。這意味著，他探測到的每一個(gè)脈沖將意味著比人們所能想象得出的事件所爆發(fā)的能力還要高出幾百萬倍的引力波的閃爍。理論家們想象某個(gè)位于銀河系中心的黑洞可能會(huì)發(fā)射出強(qiáng)烈的引力波。人們開始相信韋伯的結(jié)論，天文學(xué)家們著手尋找引力波的可見跡象，他們每年都要搜索成千上萬顆恒星。

羅納德·德雷弗 （Ronald W.P Drever）

羅納德·德雷弗 ，美國加州理工學(xué)院物理學(xué)榮休教授。1931年出生于英國格拉斯哥，1953年于英國格拉斯哥大學(xué)取得理學(xué)士學(xué)位，并于1958年于該校取得自然哲學(xué)博士學(xué)位。2016年9月27日獲邵逸夫天文學(xué)獎(jiǎng)。2017年3月6日在愛丁堡安詳逝世。

他在加州理工學(xué)院分別擔(dān)任客座硏究員(1977)、教授(1979–2002)和榮休教授(2002–)。他是美國人文與科學(xué)院院士及愛丁堡皇家學(xué)會(huì)院士。

2016年9月27日晚，邵逸夫獎(jiǎng)2016年度頒獎(jiǎng)禮在香港舉行。羅奈爾特·德雷弗、雷納·韋斯、基普·S·索恩獲得邵逸夫天文學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們對“激光干涉儀重力波觀測站”(LIGO)的構(gòu)思和設(shè)計(jì)。LIGO最近首次直接觀測到重力波，為天文探索開創(chuàng)了一個(gè)新方法，而它首先偵測到的非凡事例，是兩個(gè)星級(jí)質(zhì)量的黑洞合并。

造就：劇院式的線下演講平臺(tái)， 發(fā)現(xiàn)最有創(chuàng)造力的思想

關(guān)于引力波一直以來不斷的爭議和不懈的探索，關(guān)注本號(hào)，你還可以回顧以下內(nèi)容：

LIGO再次探測到引力波，人類有規(guī)律觀測引力波的時(shí)代到來！

為什么發(fā)現(xiàn)引力波是真正的“年度科學(xué)突破”？

愛因斯坦是對的！科學(xué)家第三次探測到引力波

LIGO數(shù)據(jù)中浮現(xiàn)莫名噪音，震驚世人的引力波有可能只是烏龍？

LIGO的引力波探測毫無懸念地摘得了今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。那這個(gè)所謂的引力波到底是個(gè)什么東西呢。 我來試著用完全針對非物理專業(yè)的語言解釋一下。

首先，如果想通俗的理解引力波，我們需要先回溯一下引力的概念。 在現(xiàn)代物理學(xué)的歷史中，人們對引力的理解總共有兩次巨大的突破。一次是牛頓的萬有引力學(xué)說，它認(rèn)識(shí)到一切有質(zhì)量的物體都可以對周圍的事物產(chǎn)生吸引作用。這個(gè)吸引作用隨著距離的平方逐漸衰減。天上的天體由于受到附近大質(zhì)量天體的吸引而做著圓錐曲線運(yùn)動(dòng)。這個(gè)簡單的模型將天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律收納到了牛頓力學(xué)的框架中，在那個(gè)宗教盛行的年代把天與地的規(guī)律統(tǒng)一在一起。

但隨著近代測量科學(xué)精度的提高。人們開始注意到牛頓引力并不能對觀察結(jié)果做到百分百準(zhǔn)確的預(yù)言（比如對水星軌道的進(jìn)動(dòng)）。在上個(gè)世紀(jì)初，阿爾伯特愛因斯坦帶來了引力理論的第二次巨大突破。這個(gè)新的理論叫做廣義相對論。在這個(gè)框架之下，質(zhì)量（和能量）會(huì)直接扭曲掉周圍的時(shí)空。天體在被扭曲的時(shí)空中其實(shí)做的是最接近直線的運(yùn)動(dòng)。但這樣的直線運(yùn)動(dòng)在我們的直觀感受中卻會(huì)感覺好像是做曲線運(yùn)動(dòng)一樣。（如果不好理解，請想象一條從北京飛到紐約的飛機(jī)航線，這條航線走的是球面上的一條“直線”，但如果我們把這條航線畫在平面世界地圖上的話，它確是曲線。）

這個(gè)廣義相對論雖然可能離我們的直觀更遠(yuǎn)一些。但它所能預(yù)言的實(shí)驗(yàn)精度卻遠(yuǎn)超牛頓引力。而且它的數(shù)學(xué)更和諧，同時(shí)與物理學(xué)的另一個(gè)重要理論--經(jīng)典電磁學(xué)理論自洽。（牛頓體系卻會(huì)與經(jīng)典電磁學(xué)產(chǎn)生一些內(nèi)在矛盾。）所以到現(xiàn)在廣義相對論已經(jīng)是物理學(xué)家公認(rèn)的目前為止解釋引力的最標(biāo)準(zhǔn)理論。

自然的，如果大質(zhì)量天體可以扭曲時(shí)空。那么運(yùn)動(dòng)的大質(zhì)量天體是不是可以動(dòng)態(tài)的扭曲時(shí)空。從而使得時(shí)空就好像水面一樣被不停攪動(dòng)呢？

理論上是可以的。這樣的攪動(dòng)我們就稱為叫做引力波。它是由于大質(zhì)量天體的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的時(shí)空曲率的漲落。

實(shí)驗(yàn)上呢？以前一直是不行的。因?yàn)橐?shí)在是太弱了。比電磁力弱了10的36次方倍！

但LIGO做到了，他們利用了長達(dá)數(shù)公里的激光干涉儀，測量兩個(gè)中子星互相盤旋互相吞噬成黑洞這樣的極度劇烈的天體運(yùn)動(dòng)，終于第一次得到了比較受公認(rèn)的引力波觀測結(jié)果。所以這個(gè)諾獎(jiǎng)?wù)媸菐缀鹾翢o爭議的。

施郁

（復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系）

波是某種振動(dòng)的傳播，如水波、聲波等。顧名思義，引力波就是“引力的波”。引力波超越了牛頓引力理論。

三百多年前，艾薩克·牛頓（Isaac Newton）說，任何兩個(gè)有質(zhì)量的物體之間存在萬有引力，而且這個(gè)引力是瞬時(shí)的，也就說，物體之間引力的傳遞不需要時(shí)間。牛頓解釋了為什么地球圍繞太陽轉(zhuǎn)，為什么樹上的蘋果會(huì)落地。

然而愛因斯坦1905年創(chuàng)立的狹義相對論指出，任何信號(hào)的傳遞不可能超過光速，時(shí)間和空間成為整體，稱為時(shí)空。

十年之后，愛因斯坦又將引力納入相對論的框架，創(chuàng)立廣義相對論，指出萬有引力就是時(shí)空的彎曲，由此決定物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。用索恩的導(dǎo)師、美國著名物理學(xué)家約翰·惠勒（John Wheeler）的話說，“物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲；彎曲的時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)。”物質(zhì)之間的引力，需要時(shí)間來傳遞。

1916年，愛因斯坦根據(jù)廣義相對論，預(yù)言了引力波。

引力源質(zhì)量分布的改變，導(dǎo)致它對其他物體引力的改變，這種改變以光速傳播開來，就是引力波。既然引力是時(shí)空彎曲，那么引力波也就是“時(shí)空的漣漪”，即時(shí)空彎曲情況隨時(shí)間變化、在空間傳播。引力波到達(dá)之處，在垂直于傳播方向的平面上，任何長度都會(huì)振蕩，而且在互相垂直的任意兩個(gè)方向上步調(diào)相反。因?yàn)榕ｎD力學(xué)中沒有引力波，所以引力波的觀測也就驗(yàn)證了廣義相對論。

LIGO探測到引力波，意義不僅在于直接驗(yàn)證廣義相對論預(yù)言的引力波的存在，還在于開啟了對強(qiáng)引力以及黑洞的直接觀測，打開了認(rèn)識(shí)宇宙的一個(gè)新窗口。

探測到引力波是人類歷史上最重大的發(fā)現(xiàn)之一，因此可以獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

LIGO激光干涉引力波探測器是目前地球上長度最長的地面引力波探測裝置。除了LIGO，在歐洲還有Virgo,在日本還有KAGRA等規(guī)模小一些的地面引力波探測激光干涉儀，而且印度也將投資建設(shè)LIGO-India地面引力波探測激光干涉儀。

這些引力波探測器都將探測到引力波。

那么，引力波到底是什么呢？

其實(shí)很簡單，時(shí)空的扭曲振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生引力波，正如一塊鋼板的振動(dòng)會(huì)發(fā)出聲音一樣，時(shí)空的扭曲振動(dòng)當(dāng)然要發(fā)出“聲音”——這就是引力波。

在LIGO的探測精度內(nèi)，大概有四個(gè)過程可以探測到引力波，第一種情況是致密雙星的合并過程中發(fā)出的引力波，比如1到100個(gè)太陽質(zhì)量的致密天體（如中子星，黑洞）之間的合并過程就發(fā)出這個(gè)頻段的引力波信號(hào)；第二種情況是中子星的自轉(zhuǎn)，當(dāng)一個(gè)中子星的質(zhì)量分布不對稱的時(shí)候，它有一個(gè)隨時(shí)間變化的四極矩，這個(gè)時(shí)候也會(huì)輻射出這個(gè)頻段的引力波；第三種情況就是burst過程，就是一些短期的爆發(fā)源，比如超新星爆炸過程，時(shí)間很短，其引力波信號(hào)也很不規(guī)則，其頻率也在LIGO引力波探測器的探測范圍內(nèi)；第四種情況就在宇宙學(xué)方面，早期的宇宙大爆炸會(huì)有隨機(jī)的引力波背景，這個(gè)極早期的漲落現(xiàn)在比較難探測，但也在LIGO引力波探測器的探測范圍內(nèi)。

當(dāng)然了，引力波的探測是很難的。所以才會(huì)得諾貝爾獎(jiǎng)。

當(dāng)然，要聽到時(shí)空的聲音是很難的，引力波是很難探測到的，有一個(gè)廣義相對論專家叫 Bernard Schutz。他曾在北京大學(xué)做學(xué)術(shù)報(bào)告時(shí)發(fā)表感慨說："我們花了幾十億美元找引力波，還是沒找到，有時(shí)候我晚上睡覺想想，我怎么能和老婆睡自己床上呢？我他媽的應(yīng)該睡監(jiān)獄里啊。"

引力波給了我們一種探測宇宙的新手段，以前我們只能用電磁波，現(xiàn)在可以用引力波了。

百年前，愛因斯坦將引力波作為他的廣義相對論的一部分。直到LIGO的檢測，引力波一直是沒有實(shí)驗(yàn)證實(shí)的廣義相對論的一個(gè)預(yù)測。因此，引力波的探測完全證明了一般的相對論的正確性。

但這不僅僅是關(guān)于這個(gè)理論。它為我們了解世界和宇宙提供了一種新的方式。由于他們要遠(yuǎn)程旅行到達(dá)我們，所以引力波非常弱，但在另一邊的硬幣是波浪幫助我們觀察比我們目前的技術(shù)更深刻的宇宙。我們的宇宙經(jīng)歷了大膨脹， 是由95％的黑暗能量和暗物質(zhì)組成。掌握引力波探測，測量和分析，我們就將有更大的機(jī)會(huì)研究我們所認(rèn)識(shí)的宇宙的形成和發(fā)展。

引力波探測本身也非常重要。這可以類比電磁波的發(fā)現(xiàn)。赫茲在1888年的實(shí)驗(yàn)結(jié)論中證實(shí)了電磁波的存在，現(xiàn)在不同頻段的電磁波已被廣泛應(yīng)用于我們的生活。未來，引力波可能有廣泛的應(yīng)用，有利于我們的生活。引力波研究剛剛開始，中國有充分的理由掌握引力波探測。

但僅僅用引力波研究的重要性來說明其獲得諾獎(jiǎng)的必然性這可不夠。重要的研究可多去了。取得進(jìn)展的研究也多去了。引力波作為一項(xiàng)重要的研究，之所以獲得了諾獎(jiǎng)，還因?yàn)槿缦略颍?/P>

1. 它是基礎(chǔ)的方向性的研究，具有在科學(xué)上劃時(shí)代的意義，將來會(huì)有無數(shù)研究奠基于今日引力波探測研究的基礎(chǔ)上。這正是諾獎(jiǎng)的自然科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)要優(yōu)先表彰的。

2. 很多重要的研究需要加以時(shí)日才能證明其重要性，比如這次獲得化學(xué)獎(jiǎng)的冷凍電鏡。但引力波研究不同，從開始建造引力波探測設(shè)備起，全世界的學(xué)界就對此給予了很大關(guān)注，即使當(dāng)時(shí)的中國（1970\1980年代）還不具有如此實(shí)力，但在理論上也進(jìn)行了跟進(jìn)，因?yàn)榇竺ΧΦ膹V義相對論已經(jīng)早在多年前，在引力波探測的研究正式啟動(dòng)前，就為其研究奠定了合法性。

3. 引力波的探測，包括Ligo的建設(shè)和運(yùn)行，已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年。各種bug不停地被修正。雖然近來爆發(fā)了有關(guān)LIGO探測結(jié)果可靠性的爭議，但在大方向上這一研究不會(huì)有錯(cuò)誤。這也是諾獎(jiǎng)委員會(huì)能放心大膽地把物理獎(jiǎng)?lì)C給在引力波探測中發(fā)揮核心作用的幾位科學(xué)家的原因。

簡單來說，引力波是由物體在空間中加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的時(shí)空漣漪。為了解引力波究竟是什么，我們先要了解引力的作用方式。牛頓的萬有引力定律告訴我們，萬物之間都存在著一種互相吸引力。然而，這樣的描述只是一種表面現(xiàn)象，而非引力的本質(zhì)。愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，引力其實(shí)是一種時(shí)空幾何效應(yīng)，由物體彎曲時(shí)空所產(chǎn)生的。只要物體具有質(zhì)量，它就能夠扭曲時(shí)空，并且時(shí)空的彎曲程度（或者說時(shí)空曲率）與物體的質(zhì)量呈正相關(guān)。廣義相對論對引力作用的描述已經(jīng)得到了諸多實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，其中包括水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)、星光偏轉(zhuǎn)、引力時(shí)間膨脹效應(yīng)等等。

引力波也是廣義相對論的一大預(yù)言，但一直以來沒有被直接探測到。廣義相對論預(yù)言，當(dāng)物體在空間中加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，將引發(fā)時(shí)空曲率不斷改變，從而產(chǎn)生以光速傳播的引力波。這就像在平靜的水面上扔進(jìn)一塊石頭，水面將會(huì)泛起漣漪，并向四周傳播。

事實(shí)上，我們在地球上的任何活動(dòng)，比如走路或者開車，都能引發(fā)時(shí)空漣漪，產(chǎn)生引力波。然而，這種效應(yīng)十分微弱，遠(yuǎn)在儀器所能探測的范圍之外，就連行星在太空中圍繞恒星運(yùn)動(dòng)也是如此。只有一些宇宙級(jí)別的大事件才能釋放出可探測的引力波，比如兩個(gè)黑洞發(fā)生碰撞。但這些事件一般較為罕見，并且如果距離很遠(yuǎn)，探測引力波的儀器還需要極高的靈敏度。正因?yàn)槿绱?，人類才一直從未檢測到引力波。

直到去年年初，激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）團(tuán)隊(duì)宣布，他們首次直接探測到由13億光年之外的黑洞碰撞所產(chǎn)生的引力波。引力波的發(fā)現(xiàn)宣告廣義相對論的幾大預(yù)言均被證實(shí)，打開了引力波天文學(xué)的新大門，對于揭開宇宙的諸多未解之謎具有重大意義。在目前在世的物理學(xué)家中，有三位對引力波探測做出重大貢獻(xiàn)，他們分別是麻省理工學(xué)院的雷納·韋斯、加州理工學(xué)院的基普·索恩（《星際穿越》的劇本初稿作者以及科學(xué)顧問）和巴里·巴里什，所以這三位物理學(xué)家共同獲得了今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

悟空問答的網(wǎng)友大家好。美國麻省理工大學(xué)教授雷納-韋斯（Rainer Weiss），加州理工學(xué)院教授巴里-巴里什（Barry C. Barish）和基普-索恩（Kip S. Thorne）三位科學(xué)家因?yàn)榘l(fā)起并領(lǐng)導(dǎo)Ligo（激光干涉引力波天文臺(tái)）項(xiàng)目，并在將理論及實(shí)驗(yàn)物理學(xué)應(yīng)用于宇宙研究領(lǐng)域做出的貢獻(xiàn)而受到表彰。

諾貝爾大會(huì)對于引力波的發(fā)現(xiàn)這樣評(píng)價(jià)：“2015年9月14日，人類歷史上第一次探測到引力波。愛因斯坦在100年前預(yù)測了引力波，是由兩個(gè)黑洞在合并時(shí)產(chǎn)生的。引力波抵達(dá)美國Ligo天文臺(tái)需要經(jīng)歷13億光年。”

在宇宙誕生之初，還沒有光的時(shí)候，就已經(jīng)有引力波了，所以發(fā)現(xiàn)引力波，就可以研究宇宙最初期的物質(zhì)形態(tài)。

愛因斯坦在廣義相對論中這樣描述引力波：“引力波以光速迅速擴(kuò)散，充滿整個(gè)宇宙。”他解釋道，引力波產(chǎn)生于巨大的加速中，比如冰上運(yùn)動(dòng)員做單腳旋轉(zhuǎn)，或者兩個(gè)黑洞交替旋轉(zhuǎn)時(shí)。不過愛因斯坦認(rèn)為，引力波是永遠(yuǎn)無法測量的。而借助于Ligo巨大的激光探測儀，它們能在引力波經(jīng)過地球的時(shí)候，測出比原子核千分之一還小的微量變化。

Ligo作為引力波目前最為靈敏的觀測項(xiàng)目，由全世界20多個(gè)國家超過1000名科研工作者共同完成，并且實(shí)現(xiàn)了人類半個(gè)世紀(jì)的目標(biāo)——探測引力波。而此次獲獎(jiǎng)的三位科學(xué)家在領(lǐng)導(dǎo)引力波項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)過程中，功不可沒。

不過可惜的是，引力波探測的先驅(qū)、Ligo創(chuàng)始人之一的加州理工學(xué)院教授羅納德-德雷福（Ronald W.P. Drever）今年3月在愛丁堡辭世，享年85歲，未能等到這一科學(xué)界的最高獎(jiǎng)項(xiàng)。德雷福設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的Ligo干涉儀對于探測引力波所需的極度靈敏條件至關(guān)重要。

然而，發(fā)現(xiàn)引力波只是引力波天文學(xué)的開端，它為觀察宇宙打開了一扇新的窗。更重要的是之后的物理學(xué)。目前發(fā)現(xiàn)的都是雙黑洞合并的信號(hào)，還有比如雙中子星、銀河系內(nèi)中子星的信號(hào)和其它未知的信號(hào)，以后的新發(fā)現(xiàn)都會(huì)為理解宇宙提供新的方法和證據(jù)。

這意味著，當(dāng)引力波抵達(dá)地球的時(shí)候，是非常非常微弱的，但是對人類天體物理學(xué)的變革產(chǎn)生積極意義。引力波為人類觀察宇宙中最為激烈的天文活動(dòng)提供了全新的方式，并且考驗(yàn)著人類的認(rèn)知極限。

正如Weiss教授在接到諾貝爾大會(huì)電話時(shí)所強(qiáng)調(diào)的：“引力波并不是三個(gè)人的研究成果，而是一個(gè)千人團(tuán)隊(duì)才能完成的項(xiàng)目。我們?yōu)榇伺α苏氖?！?/P>

Weiss教授和已經(jīng)辭世的Drever教授是Ligo團(tuán)隊(duì)中的關(guān)鍵核心人物，他們是Ligo的發(fā)起者。1964年，Weiss加入麻省理工學(xué)院物理系時(shí)，Ligo只是他設(shè)計(jì)的廣義相對論課程的一項(xiàng)課堂練習(xí)。1975年，Weiss教授認(rèn)識(shí)了加州理工大學(xué)的物理學(xué)家Thorne教授。

Thorne教授是著名的理論學(xué)家，研究重點(diǎn)是引力物理和天體物理學(xué)，側(cè)重于相對論恒星、黑洞和引力波。30年來他一直在推崇Ligo項(xiàng)目，與Weiss教授和Drever教授密切合作，為探測引力波提出新的技術(shù)和思路。他還是好萊塢影片《星際穿越》的執(zhí)行制片人和科學(xué)顧問。

Barish教授對于粒子物理學(xué)的大型項(xiàng)目有著豐富的經(jīng)驗(yàn)，他曾經(jīng)擔(dān)任Ligo項(xiàng)目的首席科學(xué)家，具體協(xié)調(diào)了Ligo項(xiàng)目的發(fā)展以及設(shè)備的建造和實(shí)施，使得Ligo成為了一個(gè)“大科學(xué)”項(xiàng)目。

目前，科學(xué)家通常用宇宙射線或者中微子等電磁輻射和粒子來探索宇宙，引力波作為探測時(shí)空本身的直接手段，為人們打開了觀測看不見的世界的新方法。利用這種方法，科學(xué)家能夠捕捉到引力波并將其翻譯成有效信息，帶給人類更多驚喜的發(fā)現(xiàn)。

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今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了三位美國物理學(xué)家，家雷納·韋斯（Rainer Weiss）、基普·索恩（Kip S. Thorne）和巴里·巴里什（Barry C. Barish）。

獎(jiǎng)勵(lì)他們建造了 LIGO 探測器，并且探測到了引力波。

左→右：雷納·韋斯、基普·索恩、巴里·巴里什

今年的這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)可以說是眾望所歸的。因?yàn)樵谖锢韺W(xué)界有一個(gè)共識(shí)，如果發(fā)現(xiàn)引力波不獲獎(jiǎng)，那就沒有天理了。所以我相信每個(gè)人對引力波都是耳熟能詳?shù)摹?/P>

去年春節(jié)期間，我們的朋友圈都在刷屏引力波被首次發(fā)現(xiàn)。但是去年 LIGO 公布發(fā)現(xiàn)的時(shí)間是2月11日，可是諾貝爾獎(jiǎng)提名的截止日期是1月31日，所以剛好錯(cuò)過了提名時(shí)間11天，所以2016年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)因?yàn)榱鞒虇栴}無法授予引力波的發(fā)現(xiàn)。

可是也正是在之后的一年時(shí)間里，人類又利用引力波探測器發(fā)現(xiàn)了另外3個(gè)黑洞相撞的事件，而且最近一次，連黑洞所在的方向都確認(rèn)了，所以更多的事實(shí)，更多頻段上的觀測，讓引力波的發(fā)現(xiàn)變得確鑿無疑，所以今年馬上就把獎(jiǎng)給出去了。

我們先來聽一下引力波的聲音。 （請聽音頻）

你剛聽到的聲音就是引力波的原始頻率，它正好落在我們的聽覺范圍內(nèi)，是幾十赫茲到幾千赫茲的頻率。而且這并不是信號(hào)加工處理后的效果。我們?nèi)绻嚯x兩個(gè)相互旋轉(zhuǎn)的黑洞足夠近，它們對空間產(chǎn)生的擾動(dòng)也會(huì)讓我們的耳膜產(chǎn)生同樣頻率的振動(dòng)，所以離得足夠近，聽上去和這個(gè)效果是一模一樣的，只不過我們在地球上離事件發(fā)生地太遠(yuǎn)了，信號(hào)已經(jīng)微弱到幾乎不可探測了，而引力波探測器 LIGO 就相當(dāng)于我們的助聽器，我們利用它，把引力波放大到我們可以聽到的范圍。

關(guān)鍵人物：巴里

LIGO 的創(chuàng)始人一共3位，其中只有2人獲獎(jiǎng)，還有一位科學(xué)家羅納德·德雷弗本應(yīng)該獲獎(jiǎng)，但在今年3月7日，他86歲高齡病逝了。按照諾貝爾的遺囑，只能頒給在世的人，所以作為替補(bǔ)上來的人，就是巴里·巴里什。

去年大家在討論引力波到底該頒給誰的時(shí)候，巴里就屬于比較尷尬的地位，因?yàn)樗呢暙I(xiàn)確實(shí)不小，但創(chuàng)始人確實(shí)是3個(gè)人，諾貝爾獎(jiǎng)又不能頒給超過3個(gè)人?，F(xiàn)在騰出了一個(gè)席位，所以矛盾解決了。

巴里的貢獻(xiàn)在于對整個(gè)工程項(xiàng)目的統(tǒng)籌和實(shí)施，和科學(xué)知識(shí)貢獻(xiàn)這方面沒有太大關(guān)系?？墒?LIGO 這個(gè)探測器項(xiàng)目，和一般的科學(xué)項(xiàng)目不同，它是迄今為止人類建造的最耗時(shí)，最耗錢的科研設(shè)備。而最早的3個(gè)創(chuàng)始人，都是典型的物理學(xué)家，有些脾氣還有點(diǎn)兒怪，讓他們搞科研沒問題，比如去世的羅納德，據(jù)說是天才型人物，在他眼中，其他人都像傻子一樣，而且他還心直口快，直接跟人家說自己的看法，所以你怎么讓他統(tǒng)籌這么大的工程呢？是不可能的。

另外兩個(gè)人也是這樣的，你讓他們花多少時(shí)間搞科研，那都是毫無怨言，但你要是讓他們花時(shí)間寫工程項(xiàng)目的進(jìn)展報(bào)告，那是絕對不能妥協(xié)的。

LIGO探測器全景

最早，雷納從美國軍方以一些名義要到了一小筆錢，這個(gè)項(xiàng)目才開始啟動(dòng)的，但馬上軍方就發(fā)現(xiàn)，工程進(jìn)展方向和申報(bào)的不一樣，于是就把資金停了。后來才請來了巴里，巴里的背景是粒子物理學(xué)家。

大家可能不知道，最近30年的粒子物理學(xué)家，差不多都需要一種特殊的才能，就是要能申請大筆的經(jīng)費(fèi)，而且還能統(tǒng)領(lǐng)大型項(xiàng)目的建造，還得知道怎么搞協(xié)調(diào)工作，怎么和政府部門溝通。因?yàn)檠芯苛Ｗ游锢?，必須要用到特別龐大的加速器，巴里之前在這方面就已經(jīng)有非常豐富的經(jīng)驗(yàn)了。他的出現(xiàn)讓 LIGO 項(xiàng)目一下解決了錢和施工的問題。如果沒有他，這種耗資巨大又長期沒有成果的建設(shè)，根本不可能延續(xù)下來，也許我們還要再等幾十年才能探測到第一個(gè)引力波。

整個(gè)項(xiàng)目從開始建造到第一次探查到引力波，經(jīng)歷了35年的時(shí)間，出錢最多的就是美國科學(xué)基金會(huì)，從上世紀(jì)80年代初開始，一共投入了4億多美元，這項(xiàng)目也是頂著巨大的壓力。因?yàn)槿祟悮v史上就從來沒有過一個(gè)項(xiàng)目連續(xù)投入這么多經(jīng)費(fèi)，這么多時(shí)間，還一直看不到任何成果的情況。

在這30多年里，無數(shù)天文學(xué)家都指責(zé)過基金會(huì)，說這么多經(jīng)費(fèi)都白扔了，你為什么不花其中十分之一的資金，建一個(gè)好的望遠(yuǎn)鏡呢？這是馬上就能得到成果的設(shè)備。

LIGO設(shè)備的分光鏡

二零零幾年的時(shí)候，LIGO 正在抓緊建設(shè)，德雷弗還跟自己的妻子感嘆過，說我每天臨睡的時(shí)候，想起 LIGO 花了這么多錢，可是到現(xiàn)在一點(diǎn)成果都測不到，我都感覺自己在犯罪，他們?yōu)槭裁吹浆F(xiàn)在還沒把我逮捕起來。

就是頂著這樣巨大的壓力，LIGO 在2015年9月份做了一次巨大的升級(jí)，靈敏度猛增了好幾倍，也就是這次升級(jí)，讓他們終于可以聽到來自空間振動(dòng)的聲音了。

這個(gè)項(xiàng)目如此困難的原因，就是實(shí)際上 LIGO 的整套設(shè)備，就是一個(gè)精密測量長度變化的尺子，這把尺子要測量到多精密的程度呢？就是要測到原子核直徑千分之一長度的變化。而在 LIGO 建設(shè)之前，人類能測量長度的最好水平，也就是可以測到原子核直徑。

也就是說，就在你剛剛聽到的這個(gè)聲音出現(xiàn)之前，有大約3個(gè)太陽的質(zhì)量瞬間變成了能量，而這份巨大的能量擠壓了空間，產(chǎn)生了稍許扭曲，以至于讓距離這個(gè)事件發(fā)生地10億光年遠(yuǎn)的地球，產(chǎn)生了一個(gè)空間上大約是原子核直徑千分之一的壓縮效果。

這就是引力波探測器要探測到的最終目標(biāo)。

愛因斯坦的預(yù)言

這次發(fā)現(xiàn)引力波獲獎(jiǎng)，還有個(gè)特別的意義，那就是廣義相對論的成果獲獎(jiǎng)了。如果愛因斯坦還活著，那這次諾貝爾獎(jiǎng)一定要分給愛因斯坦。因?yàn)槭撬?00年前就在理論上計(jì)算出了引力波的存在。這也是廣義相對論最重要的一個(gè)預(yù)言，但沒想到時(shí)隔100多年才得到了驗(yàn)證。

愛因斯坦預(yù)測引力波的論文

縱觀諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，頒發(fā)了一百多次，之前竟然沒有一個(gè)是頒給廣義相對論方面的研究。而和廣義相對論在同時(shí)期成熟起來的量子物理，那幾乎80%-90%以上的諾貝爾獎(jiǎng)都和它有關(guān)。相對論和量子物理，起碼是并重的體系，憑什么相對論一次都不能獲獎(jiǎng)呢？所以這次獲獎(jiǎng)也讓研究相對論的科學(xué)家們揚(yáng)眉吐氣了。

引力波的意義

可能有人要問了，探測到引力波有什么用？

這就像最早麥克斯韋發(fā)現(xiàn)了電磁以后，有人問，電磁波有什么用似的。

我們站在2017年是無法回答引力波具體有什么用的，但可以肯定的是，它的用處之大，一定可以和電磁波的用處相提并論。

我們回顧一下人類觀察世界的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)：

400年前伽利略發(fā)明了光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，從此之后人們觀察世界，就不局限于肉眼了，但還是局限在可見光的范圍內(nèi)。

1931年貝爾實(shí)驗(yàn)室的楊斯基發(fā)現(xiàn)了銀河系的射電輻射，這樣人類首次在可見光范圍之外用電磁波觀測宇宙了。

1987年，戴維斯和小柴昌俊發(fā)現(xiàn)了來自超新星爆發(fā)的中微子信號(hào)，所以人類就能第一次利用不是電磁波的信號(hào)觀測宇宙了，我們用的是中微子。

2015年 LIGO 首次觀測到了引力波，這個(gè)意義就是，人類首次可以利用空間本身的顫動(dòng)來觀察宇宙了。

好了答完了，轉(zhuǎn)發(fā)自卓老板聊科技！如果有版權(quán)問題我會(huì)撤銷。

宇宙可以看成這樣一種存在，時(shí)間和空間是基底，物質(zhì)編織在基底上；或者說時(shí)間空間是舞臺(tái)，而物質(zhì)是演員，在舞臺(tái)上演繹我們?nèi)粘Ｋ姷木适录Ｎ镔|(zhì)通過電磁波和引力波不斷輻射能量，只是引力波與物質(zhì)彼此之間的相互作用非常微弱，所以雖然愛因斯坦早就預(yù)言了引力波的存在，但它不像電磁波這樣容易為我們所感知，所以科學(xué)家們一直不能確認(rèn)它的存在。

那么引力波究竟是什么呢？電磁波是物質(zhì)之間相互交換能量和動(dòng)量的現(xiàn)象，而引力波是物質(zhì)和時(shí)空之間交換能量的現(xiàn)象，因此電磁波是物質(zhì)引發(fā)物質(zhì)的形變，引力波是物質(zhì)引發(fā)時(shí)空的形變，是物質(zhì)對它存在的時(shí)空本身的作用，是宇宙后臺(tái)在物質(zhì)作用下的形變！只是我們平時(shí)所見的物質(zhì)質(zhì)量太小，難以引發(fā)可觀測到的時(shí)空扭曲現(xiàn)象，就像演員在舞臺(tái)上表演，我們能夠看到的是演員的揮手投足——電磁波，看不到的是演員引發(fā)的舞臺(tái)形變——引力波（比喻，非真的引力波）。即使是科學(xué)家們首次探測到的14億光年外，兩個(gè)質(zhì)量分別為29和36倍太陽質(zhì)量的黑洞合并，損失了3個(gè)太陽質(zhì)量形成62倍太陽質(zhì)量的新黑洞，其攪動(dòng)時(shí)空所引發(fā)的引力波，也僅把地球上長達(dá)4公里的LIGO懸臂扭曲了不到一個(gè)質(zhì)子直徑萬分之一的長度。由此可見，要發(fā)現(xiàn)引力波是何等的困難！

那為什么發(fā)現(xiàn)了引力波就可以獲得諾貝爾獎(jiǎng)呢？物理學(xué)的第一次革命是牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力，奠定了經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)，愛因斯坦的廣義相對論則重新定義了我們的時(shí)空觀，幾乎將宏觀世界的所有秘密都呈現(xiàn)在我們眼前；第二次革命是電子的發(fā)現(xiàn)，奠定了量子力學(xué)的基礎(chǔ)，科學(xué)家們在微觀尺度的不斷探索，創(chuàng)生了現(xiàn)代化學(xué)、生物學(xué)等幾乎所有現(xiàn)代科學(xué)學(xué)科，以及我們現(xiàn)代生活所需的所有物質(zhì)成果。

廣義相對論描述引力，量子力學(xué)描述其它三種力但不包括引力，當(dāng)科學(xué)家們試圖將二者結(jié)合起來充滿信心地揭示宇宙的終極奧秘時(shí)，卻沮喪地發(fā)現(xiàn)它們根本無法相容，在時(shí)空的最小尺度上引發(fā)了驚濤駭浪，“廣義相對論的方程無法平息量子泡沫的喧囂”（布賴恩·格林）。引力波的發(fā)現(xiàn)，讓我們第一次掌握了直接探測時(shí)空變形的工具，黑洞、暗物質(zhì)、暗能量，這些無法用電磁波“看見”的東西，很可能會(huì)呈現(xiàn)在引力波的精彩世界里，和探測物質(zhì)形態(tài)的工具電磁波結(jié)合起來，一個(gè)包含了所有宇宙時(shí)空和物質(zhì)的量子引力世界正在向我們走來，愛因斯坦窮其一生追逐的萬有理論很可能會(huì)在不久的將來成為現(xiàn)實(shí)。

所以，引力波的發(fā)現(xiàn)獲得諾貝爾獎(jiǎng)，不僅眾望所歸，或許也是諾貝爾獎(jiǎng)歷史上分量最重的一次之一。