引力波是什麼？

聽！這就是引力波的聲音，穿越13億年在這一秒與人類邂逅

我叫曹軍威，來自清華大學。我是國際激光干涉引力波天文台（LIGO合作組織）的中國負責人。

我2004年加入美國麻省理工學院激光干涉引力波天文台的實驗室，2006年回國，在清華大學創建了LIGO工作組，2009年我們加入LIGO。

我們加入這個組織工作了6年之後，在2016年2月11號，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方面的問題。

• 什麼是「引力波」？

• 我們怎麼探測「引力波」，為什麼很難探測？

• 為什麼我們認為探測到的是「引力波」而不是其他？

從科學工作者的角度，我會給大家一個非常詳盡的介紹。什麼是「引力波」？「引力波」從哪來？到底科學家直接看到了什麼？我們直接看到的是這樣的一個波形。

這兩個波形在距離3000公里的美國兩個激光干涉引力波天文台被同時監測到。

距離3000公里，光從一個天文台走到另外一個天文台的速度是10毫秒。實際上這兩個波形它們之間相差了6.9毫秒。

當我們把一個模型平移了6.9毫秒以後，把兩個曲線重合起來，大家可以看到關鍵的部分有非常高的重合度。

這個就是我們觀測到的引力波的信號。

講「引力波」的時候，我們會說聽到了宇宙的聲音。很多年前我們有瞭望遠鏡，我們說這叫看到了宇宙。

當引力波信號輸入到音頻以後，我們能聽到什麼？

最後一下，我們能聽到「Biu」的一聲，在頻率上它已經非常非常突出了。所以我們說聽到了「引力波」的聲音。

「引力波」從哪裡來？

雙黑洞。

大家可能都聽說過黑洞，它的質量很大，連光都逃逸不了。只有大質量的物體在劇烈的天體運行中，我們才有可能探測到「引力波」。

這對雙黑洞的併合經過了三個過程，第一個過程是旋進，過程中放出「引力波」。放出的能量使得它們旋進的速度越來越快，它們的距離也越來越近，當它們近到一定程度以後，兩個黑洞就會碰撞到一起。

第二個過程是碰撞，實際上就是一個「引力波」發射的過程。

第三個過程是衰減，它們形成了一個新的黑洞。這就是我們觀測到的「引力波」的一個波源，我們稱為「雙黑洞合併」。

這個過程釋放了「引力波」的意思是：有超大質量的物質，通過運動對引力場做了攪動，引力場中間的波動我們稱為「引力波」。

雙黑洞合併釋放「引力波」這個過程，不僅僅是兩個黑洞在旋繞，還包括了它周圍引力場的變化。它們合併以後，會釋放大量的「引力波」，我們稱為「引力場中的波動」，這種波動攜帶了巨大的能量。

什麼是「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最基本的概念：物質和時空是互聯的。

無論是這麼大的天體還是一個人，都是一個物質的存在。而物質存在的同時，周圍是有時空把物質聯繫在一起的。

最直觀的解釋就是太陽和地球之間的關係。

為什麼地球會繞著太陽轉？牛頓的解釋是因為萬有引力。引力是一個超距作用，引力和質量成正比，和距離成反比。

愛因斯坦則從另一個角度來解釋。他不相信引力的傳播會是超距作用。他認為如果有一天太陽突然消失了，地球會怎麼樣？地球可能就會飛出去。

地球怎麼會知道太陽消失了呢？它為什麼會飛出去？愛因斯坦就解釋，太陽如果消失了，它的引力場就會變化，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，於是它就飛出去了。

這個關係叫物質引導時空彎曲。

我們剛才講了，有物質的同時，還有一個場的存在。而這個場就是時空。

太陽因為質量很大，他把時空做了彎曲，地球並不是心甘情願圍繞太陽轉，它以為自己在走直線，但是它實際上受到太陽所形成的時空彎曲的引導。

時空引導物質運動，所以地球會圍繞太陽轉。

物質跟時空是互聯的，這個互聯就體現在「引力波」和能量的交換。在正常情況下不同時空之間很難發生作用。

但在極端的天體條件下，比如我們這次探測到的黑洞併合的瞬間，發出了巨大的能量，以波的形式，從其他時空傳遞過來，到達了地球。

在廣義相對論的基礎上，愛因斯坦於1916年預言了引力波的存在。

他認為任何加速運動的物質都會發出引力波。也就是說我跑兩步，你走兩步也可以有引力波，但這個引力波強度非常微弱，很難探測出來。

引力波會對時空產生什麼樣的作用？在多極的情況下，它在一個方向上會拉伸時間和空間，在另一個方向上會壓縮時間和空間。

這個怎麼理解？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，你去量的時候，發現了這個桌子的長度也變化了。

引力波導致的是尺子的變化而不是物質的變化。

雙黑洞合併導致時空彎曲，釋放出這個引力波的過程中，如果我們把時空的效果再加進去，會是一個什麼樣的情況？

我們附加了下邊這條線，是我們探測到的引力波的實際一個曲線。這是在不到1秒的時間內發生的一個事件：兩個黑洞已經非常非常接近了，它們的旋進導致引力波的放出，然後旋進越來越近。

大家能看到不僅僅是兩個物質間的運動，實際上是它們時空之間的相互作用。

當時空的彎曲作用逐漸接近，進入到非常劇烈的一個併合過程，在很短的瞬間釋放出了巨大能量的引力波，使得這兩個黑洞併合在了一起。這就是我們探測到的過程。

為什麼引力波很難探測？

一是因為引力波源距離我們很遠，二是即便有引力波，它跟物質的相互作用極小，一個引力波掃過你，你可能根本就沒有任何的感覺。

在地球上一個氫彈的爆炸，所產生的引力波的量級是10的負27次方時空上的變化，這是我們無論如何也探測不到的。

必須有大質量天體的極端運動，才能產生足夠讓人類現在能探測到的引力波。這個量級有多少？

我們這次探測到了在10的負18次方時空里，有四個格之間我們發現了其中一格的空間晃動了一下。

為了探測到這個信號，我們建造了一個激光干涉引力波天文台，它台的臂長有4公里長，兩個臂是垂直的，都有4公里。這裡能看到光學的激光器件，信號是從這裡被探測到。

這個天文台的基本工作原理是：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。