曹軍威
國際激光干涉引力波天文台（LIGO）
科學合作組織
演講全文各位朋友下午好。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。1.什麼是「引力波」？2.我們怎麼探測「引力波」，為什麼很難探測？3.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。如果由於引力波的作用使得一個臂壓縮，另一個臂拉伸，那就會在這個成像儀上產生信號。
時空都是相對的，唯有光速是絕對的，所以我們要藉助激光這個媒介來測量空間的彎曲。我們來回放一下：我們想像的宇宙空間里，有著像水波紋一樣的時空分布。
如果這裡面有像黑洞這麼大的物質，開始在裡面對時空進行攪動的話，它就會不斷地釋放出引力波，這個引力波是在物質周圍，跟物質聯繫在一起。旋轉越快、越近，引力波放出的能量就越大。最終這兩個黑洞併合在了一起。
經過我們後面的推算，我們探測到的這個引力波信號，發生在13億年前，經過了很多很多星系，最終來到了地球，這個過程只有一秒的時間。
而我們就在這一秒的之前的一個禮拜，把兩個天文台做好了，剛剛好可以達到能探測到它的精度。所以你說幸運不幸運？你說美不美？通過我們的波形，推算出這兩個黑洞的質量，一個相當於太陽質量的29倍，一個相當於太陽質量的36倍。併合以後的黑洞是62個太陽質量。也就是說在不到1秒裡面，有三個太陽質量的能量，瞬間從物質導入了時空，產生了一個巨大的引力波。
大家可以想像這個量級：太陽已經存在了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。而三個太陽質量的能量，在不到一秒鐘的時間內釋放了出來，經過了13億年傳到了地球，我們才有機會在不到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，我們的探測器達到了很多人類所能達到的技術極限。
第一是探測臂外面有一個罩，裡面是一個真空腔，這是全世界最大的真空系統，4公里長。而且我們等於有兩個這種真空系統，它們在中間交叉了一下。因為真空能避免各種分子運動在空氣中的干擾，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。必須是能量高又穩定的激光才能實現精密測量。反射這激光的鏡面必須質量非常好，激光打上去以後，由於熱運動鏡面開始變形，而必須排除各種干擾，我們才能探測到10的負18次方這樣的精度，所以這個鏡面也是特殊製造的。
懸掛這個鏡面的機械裝置是最穩定的一個振動隔離系統，外邊不論怎麼振，這個鏡子必須不動。
最後，我們需要一個數據的採集和分析系統。我本人是計算機專業出身，所以我更多的工作是放在這個系統上。2015年9月14日，5點51分，這個信號被捕捉到，進入到我們的數據分析系統。
9月14號5點54分，在3分鐘之後，我們在線的程序流水線就發出了警告，告訴我們有這樣一個信號值得關注。這個程序流水線的名字叫Coherent WaveBurst，它做了一件非常簡單的事情：計算這個波形的能量變化。發現在兩個天文台捕捉到這樣的能量變化，而且時間差距在10毫秒以內，我們就把這個信號提取出來。認為這可能是一個引力波信號。前面我們既講了什麼叫引力波的基礎理論，又講了我們怎麼探測到引力波。下面我就講一下，為什麼我們這麼確信這個信號就是個引力波，而不是其他的東西？
我們把收集到的16天的數據都輸入到這張圖裡面去，大家可以看到，左邊是代表我們所有的信號的背景，右邊這個點就是我們探測到的信號。探測到的信號，遠離我們整個數據的背景，遠離的程度是多少？它的信噪比在23以上，它在天文上的標準顯示度達到了5.1σ值。在天文上，5以上我們認為就是一個新發現。我們沒有機會對黑洞放出的引力波做實證的對比，因為我們現在還沒有任何方式能觀測到黑洞。那麼我們做了一個模擬的對比。
上面是一個黑洞併合的過程，這個紅線叫數值廣義相對論的一個模擬曲線，這個灰線是從第一張PPT的數據中重構出來的——一個我們認為是引力波的曲線。大家能看到這兩個曲線的相似度在99%以上。在旋進併合到漸退的過程，它從35赫茲到350赫茲，在不到一秒的過程中劇變然後消退。這不是一個普通的雜訊所能偽裝出來的信號，一個雜訊想偽裝成這樣的一個信號的概率，20萬年才會有一次。這件事加強了我們的信心。通過這樣一個對比，我們非常有信心：這是一個引力波的信號。
這項工作，有來自全世界一百多個科研機構的上千名科學家參與。從90年代開始建設天文台，到現在探測到引力波，歷經20餘年，清華大學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格情況下的一個驗證。等於說是填補了廣義相對論四大驗證中最後的一塊板塊。在天文上的意義在於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的一個新時代。
未來的工作很簡單，這張圖標識了我們用兩個天文台來定位引力波源的一個精度。這個精度還是很粗糙的，它不足以支撐我們未來精確的引力波天文學的研究。
未來我們要建設全球的引力波探測網路，這樣的一個網路在美國已經運行，在歐洲和日本建設，甚至在印度也開始籌劃，中國也在緊鑼密鼓的計劃中國主導下的引力波天文台的建設。很多人都問我，你這個東西有什麼用呢？現在我可以明確地告訴大家，沒有現實意義上能掙錢的應用。但是我想最起碼在剛才的幾十分鐘里，它給我們了一個機會，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個太陽質量，在一秒鐘之內放出了這麼大的能量，而在10的負18次方的量級上探測到引力波的存在。實際上我想講的並不是自然有多神奇，我更想強調的是，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，預言到了這件事。而在100年後，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，大家每個人心中都有你們自己的一個答案。
很多人也問我，到底時空穿越，星艦文明有沒有可能？我想沒有不可能的事情。如果有一天，我們有了遠航的星艦文明，它將會回想和2016年2月11號這一天，人類探測到引力波。這是一個歷史的起點，而不是終點。
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