引力波背後的華人科學家，用通俗語言讓你秒懂其意義

最近這幾天國內公眾對「引力波」這個很小眾方向關注相當高，而估計就算是工科背景的同學，也難以明白這個概念。

我們找來了Jing Ming的一些見解，他是引力波研究「圈子」里的幾位華人之一，本文中他深入淺出的、用通俗、非專業的辭彙描述，結合自己的體會，向大家描述了引力波這個學科的發展歷史、物理意義、研究現狀等等。

1、什麼是引力波？

1915年，愛因斯坦的廣義相對論提出之後，這個描述「時空和物質」理論在很多地方受到實驗檢驗。人們在確鑿的實驗證據下，一次又一次的被這個偉大理論的深刻與正確而震驚。這好比是這樣一種感受：「啊~你們說這個世界和這個宇宙這這樣的那樣的，太不可思議了吧！和我體會到的感覺完全不一樣啊！你們肯定瞎扯，我根本不信！」然後廣義相對論在各個方面被實驗證實，人們的感受慢慢地開始改變，慢慢接受這個事實：我們這個世界和我們本來認為的不一樣。人們也漸漸體會到原來這個世界比我們本來以為的地深刻的多。

感興趣的同學可以看下面這個，廣義相對論的驗證：廣義相對論的實驗驗證

廣義相對論的正確性已經毋庸置疑，但是，作為廣義相對論的一個重要預言——引力波，卻遲遲沒有發現。把廣義相對論作為人類科學聖經的科學家們上火了，他們堅信，引力波是一定存在的，為了探測到這個引力波，幾代科學家們做出了很多嘗試和努力（這個具體我們後面章節再說）。那麼這個神秘的引力波，到底是啥玩意呢？

用最簡單的一句話來描述，引力波是「時空的漣漪」。聽起來好玄乎啊，什麼是「時空的漣漪」？容我慢慢道來：

相信有不少同學對廣義相對論不是很了解。來，不慌~這裡你花幾分鐘就可以「學會」廣義相對論，然後有了理論的武裝，你就可以輕鬆理解本文里的很多事情啦。

要理解廣義相對論，你只需要知道兩句話，第一句相信大家都聽說過：

1、空間三維+時間一維，這樣時空就是四維。時空就是時間加空間，是一個整體。

比如：你就處在一個時空里。因為，此時此刻（時間），你一定在某個地方（空間）讀這句話。

同樣，人們的宇宙也是時間加空間，所以宇宙就是四維時空。

第二句話就厲害了啊！大家看到後就知道廣義相對論講得是什麼了！

2、時空告訴物質如何運動； 物質告訴時空如何彎曲

spacetime tells matter how to move; matter tells spacetime how to curve

恩，很簡單吧，廣義相對論就是具體說了時空是告訴物質怎麼運動，以及，物質是讓時空怎麼彎曲的這麼一個理論。這樣也隱含了這麼個意思：物質（有質量的東西，可能是能量，因為能量也有質量）如何在它的時空里運動，取決於它所處的時空性質。另一方面，只要有物質存在的時空，就會彎曲。彎曲程度、怎麼彎曲，取決於它肚子里的物質質量大小以及分布。

看，其實不用管那些煩人的數學公式，我們也可以從根本上理解這門「深刻」的理論對嗎？好的，大家既然已經理解相對論了，那現在就可很輕鬆地理解引力波了~^^~

先看一個圖：

兩個黑黑的就是黑洞，黑洞是質量很大很大的天體。由於質量很大很大，根據「物質告訴時空如何彎曲」，他周圍的時空會一定彎曲得很厲害是。時空不彎曲的時候就像一汪平靜的湖水，你在上面輕輕放上一個皮球，皮球下面的水面是一個弧形的吧，這就和黑洞存在、附近時空彎曲一個道理。光有一個皮球停在水面上，水面還是很平靜。但是如果有兩個皮球像圖中兩個黑洞那樣彼此環繞運動著，那就不得了啊，水平會泛起陣陣漣漪。

同志們！水面是時空的話，那水波就是引力波！不要把引力波理解成引力的波，引力波的本質是時空的漣漪，是時空的波動！腫么樣？是不是感覺一下子深刻了許多？我一直都覺得，越深刻的東西，越是那麼平易近人、那麼容易理解。

細心的同學可能已經看出來引力波產生的前提是什麼了，是的，就是物質的運動。物質質量越大，運動的越劇烈，對這個時空的擾動就越大，引力波就越強。

黑洞是質量多大的天體啊，這兩個大傢伙跳著探戈，時空不被他們攪得天翻地覆才怪呢。

那~那~你們怎麼還沒有探測到引力波？

同學你問得好，問的我們無地自容，但又有點小委屈，真想嗷一句：皇上，臣妾做不到啊！

2、探測引力波的意義

註：本節可能會涉及一些別的學科的知識，如果表述不正確，請大家指出。

引力波界大佬之一Bernard Schutz上幾個月前退休。四年前，他曾在北京大學做學術報告時發表感慨：我們花了幾十億美元找引力波，還是沒找到，有時候我晚上碎覺想想，我怎麼能和老婆睡自己床上呢？我TM應該睡監獄裡啊。

聽著大老闆的這番話，當時在座很多人人包括我都會心一笑，多半把他的這番話當成是玩笑話。但是後來自己進入了和這個研究領域，成為他團隊下的一份子後，才真正明白引力波探測的艱難。善良的科學家們，花著大把納稅人的錢去找引力波，半個世紀過去了，我們依然「一無所獲」，有點愧疚也是情有可原。

引力波探測對於物理、對於我們加深對這個宇宙起源、這個時空本質的理解是非常非常重要的。它的初衷可能只是驗證、或者否定相對論的正確性，但是他的物理意義是遠遠超過這個。毫不誇張地說，未來由引力波探測帶來的新的發現，拿20個諾貝爾都輕輕鬆鬆。在後面的章節，我會具體提到引力波對物理各個方面的意義，為什麼我們願意花幾十億美元（甚至上百億），去研究、去探測一個看似和我們生活沒什麼關係的東西。但是在本節，我很想從另外一個角度來說它的意義，我想講一個激動人心的故事，一個你我都參與其中的故事，一個我們這代人都值得驕傲的故事。

恩，引力波的意義這件事情，我想還是得從138億年前說起，大家搬好小馬扎聽我慢慢道來：

138億年前，那一團體積有限（可以想像成網球大小），密度溫度極高的「東西」爆炸了。這絕對是宇宙有史以來最重要的一件事情，因為這次爆炸，不僅誕生了你和我，還產生了時間和空間。大爆炸的那一刻，宇宙，誕生了。

大爆炸之後的整個宇宙是還是一片漆黑。隨著宇宙越來越大，溫度迅速降低，直到38萬年後，溫度終於低到一定程度，光子開始退耦。宇宙的第一縷光誕生了！

宇宙的第一縷光便是宇宙微波背景輻射（CMB），這個的發現又是另一個可以讓人會心一笑的故事，這裡就不展開了。

宇宙的演化宇宙的演化

宇宙微波背景輻射，你看到的這個就是宇宙的第一縷光，它來自138億年前，或者說來著138億光年遠的地方。宇宙微波背景輻射，你看到的這個就是宇宙的第一縷光，它來自138億年前，或者說來著138億光年遠的地方。

「等等」，台下的聽眾不滿意了：「我們是來聽引力波的故事的，你扯什麼CMB？」大家不要急嘛，宇宙中的任何故事都是一環扣一環，相互聯繫的。來，下面我們來次時空穿越，從那遙遠的138億年前，來到五億多年前的地球。

那個時候的地球，熱鬧極了，有古生物專業的同學對這個應該很熟悉吧。那個時候被稱為寒武紀，在距今約5.3億年前，在2000多萬年時間內地球上突然湧現出各種各樣的動物，它們不約而同的迅速起源，形成了多種門類動物同時存在的繁榮景象。寒武紀生命大爆發是古生物學和地質學上的一大懸案，目前對為什麼生物種類集體出現甚至爆發還沒有一個統一的解釋。總之，那個時候生物瘋狂地進化著，不適應環境的迅速被淘汰，更強的生物取而代之。在這段時間裡，有些生物的眼睛進化出來了。下面我們隆重請出本節主角——奇蝦小朋友出場！

奇蝦（Anomalocaris）

腫么樣？奇蝦是不是很Q很萌？可不要被它可愛的外面所欺騙哦，它身長可達兩米，非常兇猛：

引用自百度百科：

它有一對帶柄的巨眼，一對分節的用於快速捕捉獵物的巨型前肢，美麗的大尾扇和一對長長的尾叉。它雖不善於行走，但能快速游泳。25厘米直徑的巨口可掠食當時任何大型的生物，口中有環狀排列的外齒，對那些有礦化外甲保護的動物構成了重大威脅。這是一種攻擊能力很強的食肉動物，它的個體最大可達2米以上，而當時其他大多數動物平均只有幾毫米到幾厘米。

奇蝦作為當時海里的霸主，能夠統治海洋幾千萬年，除了他的強大的身體之外，還得益於他頭頂那對黑溜溜的大眼睛。要知道，在寒武紀，眼睛才開始進化，很多生物沒有眼睛呢（可能只有感光細胞），有些生物雖然有眼睛，但是因為進化不夠完全，所以視力很模糊，只能看到隱隱約約地看到環境物體的輪廓，所以當捕食者朝它靠近時，它完全反應不過來。奇蝦，作為成功的捕食者，在這場「雷達軍備競賽」中一直遙遙領先，它相對於當時的大多數生物，率先進化出了，可以真正「看到」東西的眼睛！

眼睛的發展本身是一個很複雜的課題，它游一開始的那些感光細胞開始進化，逐步逐步形成了類似於現代生物的那種眼睛。我們姑且把奇蝦小朋友作為第一種有「複雜」眼睛的生物。

大家來算算：

138億年前：第一縷光

45億年前：地球誕生

36億年前：地球生命誕生

5.3億年前：有眼睛的奇蝦終於可以看到存在了一百億年的光

那個時代的生物，從某種角度上來說，是值得驕傲的！他們作為第一批地球生物，看到了那溫暖明媚的——光！從此，視覺成為了許多生物，包括人類的最重要的感覺之一。

好了好了，讓我們回到物理，回到時空，回到引力波當中來。其實，我在生活中，被很多次地問過：你們探測這個引力波有什麼用呢？每次我都可以回答得很好，哪怕對方完全是物理零基礎的文科妹子，因為有時候我不講物理，我講這個奇蝦的故事。

引力波用粒子的角度去理解就是引力子，和光子的理解方式類似。但是不同於光子在宇宙38萬年誕生後才產生，引力子早在宇宙大爆炸之後僅僅0.0000....0001（裡面35個0）秒就先退耦了，存在於這個宇宙中，這也被稱為原初引力波。

之後的一百多億年的時間裡，除了那些原初引力波，宇宙中任何物體只要運動，都會輻射引力波。兩個黑洞共舞會釋放引力波，超新星爆發會釋放引力波，月亮繞著地球會釋放引力波，悟空揮動起金箍棒來也會釋放引力波，你在路上和心儀的妹子擦肩而過時候，除了你的砰然心動，你，還是在釋放著你的引力波。

對啊，你說對了，引力波就是另一種光，這種「光」的本質是時空的波動，但是還是可以把它理解成除了電磁波（光）之外的令一種光。

神說：要有光。

於是奇蝦在133億年後看到了第一種光。

138億年後

今天，或者說即將，我們就可以看到第二種光！

這絕對是繼奇蝦同志之後五億年以來最重要的時代！

這個「即將」是多久？業內普遍認為引力波將在4年內被探測到，同學們啊，才四年，其實就算預計的四年內探測不到，那引力波被探測到也是這個時代要發生的事情。作為恰巧生處於這個時代的每一個人，都應該為這個時代而驕傲，為人類而驕傲，為地球生命而驕傲。這個時代的地球人類，代表著地球生命，可以驕傲地宣布：我們不再失明，我們看到了，我們看到了那第二種光！

這裡想插一句，小時候特別喜歡看聖鬥士。小學時候經常被裡面的什麼小宇宙第六感什麼的撩得亢奮。是的，引力波探測到了後，人類就會擁有正真的第六感，那種感知時空漣漪的能力。在科學上，人類的這種第六感，無疑是人類的一雙「天眼」，可以窺探出許多我們之前看不到的東西，比如大爆炸之後38萬年之前的宇宙，比如黑洞的並和等等。有了這雙天眼，宇宙的很多奧秘便可盡收眼底！

為什麼業內普遍認為是四年內探測到？

我會在後面章節具體說這個，這裡先簡單介紹下為什麼。

說2019年可以探測到是因為引力波的主要探測器ligo在近幾年可以完成升級，完成升級之後的ligo具有更高的靈敏度，結合天體物理的各種模型和數據，我們探測到引力波事件可以增加到幾十次每年。如果那時還沒有探測到引力波，那不是廣義相對論出問題了就是天體物理的很多理論出問題 當然也有可能是我們工作沒做好；） 另外我想提一下bicep2，其實bicep2的結果被普朗克數據否定也在預料之中。不過就算bicep結果被後來的普朗克數據證實，也稱不上是探測到了引力波，只能算引力波存在的一個間接證據。直接探測引力波 主要是靠以ligo為首的幾個大型引力波探測激光干涉儀。(本文為節選，全文請點擊閱讀原文查看）

作者: Jing Ming

導讀：

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