導(dǎo)讀：在本文中，我們將詳細(xì)談一談引力波，以及探測它們的“神兵利器”。

作者：尼古拉斯·米（Nicholas Mee）

來源：大數(shù)據(jù)DT（ID：hzdashuju）

01 引力場的漣漪——引力波

法拉第（見圖4-1）認(rèn)識到，遍布于整個空間的電磁場是電磁力的載體。這個觀點改變了我們對物理世界的理解。

▲圖4-1?印著法拉第頭像的面值20英鎊的紀(jì)念紙幣

后來，麥克斯韋用一組數(shù)學(xué)方程，闡明了法拉第的觀點，建立起電磁統(tǒng)一理論。這個理論告訴我們，光是電磁波，可見光也只是電磁波譜的一部分，除了可見光，還有其他頻率的電磁波。

赫茲通過實驗證實了無線電波的存在，隨之而來的是收音機(jī)的發(fā)明，以及電視、雷達(dá)、手機(jī)及許多其他應(yīng)用的涌現(xiàn)。帶電粒子（如電子）如果受到振動，就會發(fā)出電磁波。

愛因斯坦富有洞見地用“場”趕走了引力的“超距作用”，解除了牛頓的困境。如同麥克斯韋的電磁理論是電磁學(xué)的經(jīng)典理論，愛因斯坦的廣義相對論也是引力的經(jīng)典理論。廣義相對論預(yù)言，宇宙中有引力波——連續(xù)不斷的時空波動。

02 引力場

愛因斯坦在構(gòu)思他的新引力理論——廣義相對論時，打算把場的概念應(yīng)用到引力上。他成功地做到了這一點。誰想到，這個場竟然就是時空本身。

在廣義相對論里，時空就好比是電磁場，物質(zhì)的質(zhì)量是電荷。廣義相對論預(yù)言，大質(zhì)量物體在猛烈旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生引力波，由于引力可以用時空扭曲來描述，那么引力波就是時空的漣漪（見圖4-2）。

▲圖4-2?雙黑洞系統(tǒng)發(fā)出引力波的示意圖

探測電磁波不是什么難事。每當(dāng)我們睜開眼，或者打開電視、登錄無線網(wǎng)，甚至用微波爐熱一杯茶的時候，我們就在接收電磁波。但是，探測引力波可沒這么容易，因為引力可比電磁力微弱多了。

在我們生活的環(huán)境里，引力十分重要，這讓我們誤以為引力很強(qiáng)。但實際上，只有像行星那樣大的一團(tuán)物質(zhì)，才能產(chǎn)生明顯的引力效果。即便如此，一塊小小的磁鐵就能與整個地球的引力抗衡，輕而易舉地把小鐵釘吸起來。

引力是如此微弱，以至于搖晃大質(zhì)量物體，也只能產(chǎn)生極微小的引力漣漪。只有宇宙中最暴烈的事件（比如超新星爆發(fā)、中子星碰撞、黑洞并合）產(chǎn)生的引力波，才有可能被我們探測到。

而且，探測儀器必須非常靈敏：能夠測量相距幾千米的兩點之間距離的變化，這個變化小于質(zhì)子的千分之一或原子的十億分之一。雖然這聽上去難以置信，但科學(xué)家已經(jīng)造出了這樣的儀器。

03 探測時空漣漪

在廣義相對論問世100年后，引力波研究終于取得了第一次成功。美國科學(xué)家潛心鉆研數(shù)十載，建成了激光干涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）。

LIGO由彼此相隔3000千米的兩套裝置組成，一個位于華盛頓州的漢福德，另一個在路易斯安那州的利文斯頓（見圖4-3），兩套設(shè)備必須完全分隔開，才能從本地的干擾信號中辨別出真正的引力波信號。

▲圖4-3 美國路易斯安那州利文斯頓的LIGO裝置

兩套裝置皆呈L形，各有兩個4千米長、彼此垂直的臂，臂內(nèi)保持超高真空狀態(tài)。科學(xué)家把一束激光導(dǎo)入分束器，由分束器把激光一分為二，分別送入兩條臂中。在臂的兩端各有一面鏡子，激光在兩面鏡子之間來回反射400次（走過1600千米）。最后，再把兩條臂中的激光合二為一。

裝置經(jīng)過特別設(shè)計，讓一束光的波峰正對另一束光的波谷，使兩束激光在合并后彼此抵消，如此一來，就不會有光傳到光電探測器上。

當(dāng)有引力波經(jīng)過時，雙臂的臂長稍有改變，導(dǎo)致兩束激光在臂中走過的距離發(fā)生變化，光的相位也隨之偏移（幅度遠(yuǎn)小于1個波長）。結(jié)果，兩束激光在合并時不再完全抵消，這時，就會有一部分光傳到光電探測器上（見圖4-4）。

LIGO異常靈敏，因為只有如此，它才有可能探測到引力波。

▲圖4-4 LIGO引力波探測器示意圖。左：兩束激光完全反相，在合成束后完全抵消。這時，不會有光傳到光電探測器上。右：臂兩端的鏡子稍稍改變位置，導(dǎo)致兩束激光走過的路程發(fā)生變化。如此一來，兩束激光不再完全反相，在合并后會有一部分光傳到光電探測器上

04 深空里的暴烈事件

LIGO的升級版——高新激光干涉引力天文臺（Advanced LIGO），在2015年9月18日投入運(yùn)行。然而，就在正式投用的前4天，奇妙的事情發(fā)生了。漢福德和利文斯頓兩地的裝置在幾毫秒內(nèi)，先后探測到一個相同的明確信號（見圖4-5）。

▲圖4-5 LIGO探測到有史以來第一個引力波信號

科學(xué)家已經(jīng)研究過這種暴烈事件，并用計算機(jī)建模。所以，他們能從LIGO探測到的引力波中，辨認(rèn)出事件的特征。根據(jù)計算機(jī)模型，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)雙黑洞并合系統(tǒng)能夠持續(xù)不斷地發(fā)出引力波。整個系統(tǒng)也因此不斷消耗能量，致使兩個黑洞越轉(zhuǎn)越近，最終合并成一個新黑洞。

在黑洞向內(nèi)繞轉(zhuǎn)的最后時刻，系統(tǒng)發(fā)出的引力波明顯增強(qiáng)。新形成的黑洞一開始時極不穩(wěn)定，在發(fā)出最后一陣引力波（鈴宕）后，便很快安定下來。

科學(xué)家從這第一個簡短信號里，提取出大量的信息。他們知道了這個黑洞并合事件發(fā)生在距離我們13億光年的地方。LIGO探測到的引力波正是兩個黑洞在并合前一刻以及鈴宕階段產(chǎn)生的。據(jù)估算，兩個黑洞的質(zhì)量分別是太陽質(zhì)量的29倍和36倍，并合形成的新黑洞有62倍太陽質(zhì)量，而且在飛快地自轉(zhuǎn)。

真正令人吃驚的是，在這場并合中，約有3倍太陽質(zhì)量的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成能量，以引力波的形式釋放出來。如此巨大的能量釋放只在時空中掀起了極小的漣漪，這個時空漣漪向外擴(kuò)散，傳播到13億光年外的地球。引力波雖然只是微小的時空漣漪，卻攜帶著巨大的能量。

這是人類有史以來第一次探測到雙黑洞系統(tǒng)，也是迄今為止最為直接的一次黑洞觀測。這次觀測還證實了引力波如預(yù)期的那樣，以光速傳播。

2017年的諾貝爾物理學(xué)獎頒給了美國物理學(xué)家基普·索恩（Kip Thorne）、巴里·巴里什（Barry Barish）和雷納·韋斯（Rainer Weiss），以表彰他們在LIGO研發(fā)中做出的決定性貢獻(xiàn)。引力波天文學(xué)的時代到來了。

05 名字的含義

宇宙中可能蕩漾著引力波，這是廣義相對論做出的驚人預(yù)言。但直到廣義相對論誕生100年后，這個預(yù)言才被證實。我們在前文已經(jīng)講過，LIGO在2015年9月探測到了引力波。

現(xiàn)在，LIGO每過幾個月就會探測到新的引力波信號，頭4個信號都是遙遠(yuǎn)的黑洞并合事件產(chǎn)生的，其中第三個信號是LIGO在2017年1月4日探測到的。

藝術(shù)家根據(jù)這個信號，對雙黑洞系統(tǒng)展開想象（見圖5-1）。這兩個黑洞的質(zhì)量分別是太陽質(zhì)量的32倍和19倍，它們的自轉(zhuǎn)方向也各不相同。圖5-1展示了它們即將并合的場景。這個引力波信號被命名為GW170104。猜猜看，它為什么叫這個名字？

▲圖5-1 藝術(shù)家根據(jù)引力波信號GW170104想象的兩個黑洞即將并合的場景

06 可愛的引力波探測器LISA

LIGO探測到引力波可是一個非常了不起的技術(shù)成果。歐洲空間局（European Space Agency，ESA）想要更勝一籌，打算把引力波探測器送入太空。

這個探測器名叫太空激光干涉儀（Laser Interferometer Space Antenna，LISA），由1個母飛行器和2個子飛行器構(gòu)成。這3個飛行器彼此相隔250萬公里，在太空中排布成一個等邊三角形，一同圍繞太陽旋轉(zhuǎn)（見圖5-2）。

LISA用激光監(jiān)測飛行器的間距，宛如一臺精確的干涉儀。當(dāng)有引力波途經(jīng)此處，飛行器的間距會發(fā)生輕微改變，干涉儀便能探知到這一切。

▲圖5-2 LISA的示意圖

07 為LISA鋪路

2015年12月，LISA探路者探測器發(fā)射升空。作為LISA的開路先鋒，它將對搭建太空干涉儀的技術(shù)和可行性進(jìn)行測試和評估。進(jìn)入太空后，LISA探路者在艙內(nèi)放出兩個測試金屬塊，讓其自由漂浮，并用激光干涉儀測量它們的間距（見圖5-3），隨后，再以前所未有的精度（小于0.01納米）隨時監(jiān)測它們的位置變化。

▲圖5-3 LISA探路者放出兩個測試金屬塊，讓其自由漂浮，同時用高精度激光干涉儀測量它們的間距

探路者這么做的目的是想向大家展示，這兩個金屬塊能夠不受任何內(nèi)部或外部的干擾，保持理想的自由落體狀態(tài)。

尤其引人注目的是，探路者能夠感知金屬塊的運(yùn)動，并用微型推進(jìn)器調(diào)整自身的位置，避免碰觸到金屬塊。為了保證干涉儀的高靈敏性，做到這一點至關(guān)重要，因為探測器難免會受到諸如太陽風(fēng)、微小流星體的撞擊及艙內(nèi)氣體分子等多種干擾。

探路者的金屬塊彼此間距不過40厘米，可是，LISA的3個飛行器卻彼此相隔幾百萬公里。為了確保LISA的距離測量和探路者的一樣精準(zhǔn)，探測器的靈敏度也會隨體型的增大而提高。2017年6月，ESA宣布，經(jīng)過LISA探路者的測試，太空干涉技術(shù)的表現(xiàn)超出預(yù)期，這意味著有此技術(shù)傍身的LISA一定十分靈敏，能夠探測到引力波。

08 我們將會看到什么

與LIGO及地面上的其他引力波探測器相比，LISA對更大的天體系統(tǒng)發(fā)出的波長更長的引力波比較敏感，所以它能探測到前者探測不到的引力波，因而大大地提升了我們研究引力波的能力。

在產(chǎn)生引力波信號GW170104的事件中，發(fā)生并合的兩個黑洞雖然質(zhì)量很大，但它們的直徑只有190千米和115千米，并合形成的新黑洞也僅有280千米寬。以宇宙標(biāo)準(zhǔn)來衡量，它們都是小不點。

只要是兩個致密的天體（可能是白矮星、中子星或者黑洞）互相繞轉(zhuǎn)構(gòu)成的密近雙星系統(tǒng)，在并合前一刻發(fā)出的引力波，LISA都可以探測到。比如發(fā)出引力波信號GW170104的雙黑洞系統(tǒng)，LISA在兩個黑洞并合前數(shù)周甚至幾個月，就能探測到它們發(fā)出的引力波了。

這樣一來，科學(xué)家就能確定系統(tǒng)的方位，還能準(zhǔn)確地預(yù)測出并合的時間。這些信息的用處很大，能夠幫助科學(xué)家找到它們的光學(xué)對應(yīng)體。

09 超大質(zhì)量黑洞

在銀河系的中心，潛伏著一個超大質(zhì)量黑洞，它的質(zhì)量是太陽質(zhì)量的400多萬倍（見圖5-4）。

▲圖5-4 藝術(shù)家眼中的超大質(zhì)量黑洞

科學(xué)家認(rèn)為，盡管不是所有的，但絕大多數(shù)星系，在其中心都藏匿著一個這樣的巨獸。LISA不僅會看到這些黑洞吞噬周圍的恒星，還會探測到它們的并合過程。在宇宙中，如此激烈、壯觀的事件肯定時有發(fā)生，讓我們期待著發(fā)現(xiàn)更多事件吧。

目前，我們還不十分清楚，超大質(zhì)量黑洞是如何形成、長大的。LISA能夠探測到它們出生前的陣痛，為我們提供重要的線索，幫助我們理解它們的形成過程，了解它們與早期宇宙中的類星體有何關(guān)聯(lián)。

LISA還能幫我們改進(jìn)描述宇宙大爆炸的直接后果和極早期宇宙的理論模型。此外，LISA還回贈我們一個大禮包——為廣義相對論提供嚴(yán)格的新測試，這將增進(jìn)我們的基礎(chǔ)物理知識。

作為ESA的“宇宙愿景”（Cosmic Vision）計劃的一部分，LISA將于2034年飛入太空。

關(guān)于作者：尼古拉斯·米（Nicholas Mee），在劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)期間主攻理論物理和數(shù)學(xué)，以優(yōu)異的成績獲得了數(shù)學(xué)學(xué)士學(xué)位，并以論文《超對稱量子力學(xué)和幾何學(xué)》獲得理論粒子物理學(xué)博士學(xué)位。

本文摘編自《宇宙觀：一場跨越時空的宇宙探秘之旅》，經(jīng)出版方授權(quán)發(fā)布。

延伸閱讀《宇宙觀：一場跨越時空的宇宙探秘之旅》

點擊上圖了解及購買

轉(zhuǎn)載請聯(lián)系微信：DoctorData

推薦語：中科院、上海天文臺專家誠意推薦！涵蓋近十年來諾貝爾物理學(xué)獎關(guān)于宇宙的熱門話題，近百年來牛頓等科學(xué)家探索宇宙的科學(xué)探索，近千年來人們關(guān)心的外星人等宇宙迷思。結(jié)伴同游，一場跨越時空的宇宙探秘之旅！

長按下方二維碼

開啟宇宙探秘之旅

????

劃重點????

干貨直達(dá)????

• 2020下半年，值得關(guān)注的10本機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)好書
  

• 所到之處，寸草不生！深扒黑產(chǎn)工具和羊毛黨操作流程
  

• 屠殺機(jī)器人和無處不在的監(jiān)控：AI是我們最大的生存威脅？
  

• 機(jī)器學(xué)習(xí)沒前途了？6本書，給你一個突破瓶頸的學(xué)習(xí)路徑

更多精彩????

在公眾號對話框輸入以下關(guān)鍵詞

查看更多優(yōu)質(zhì)內(nèi)容！

PPT?|?讀書?|?書單?|?硬核?|?干貨?|?講明白

大數(shù)據(jù)?|?云計算?|?數(shù)據(jù)庫?|?Python?|?可視化?|?神操作

AI?|?人工智能?|?機(jī)器學(xué)習(xí)?|?深度學(xué)習(xí)?|?NLP

5G?|?中臺?|?用戶畫像?|?1024?|?大神?|?數(shù)學(xué)?|?數(shù)字孿生

據(jù)統(tǒng)計，99%的大咖都完成了這個神操作

????

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的什么是引力波？它是怎么被发现的？的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。