諾貝爾物理學獎得主揭曉

#2017年諾貝爾獎#物理學獎頒給LIGO科學合作組織的三位主要成員Rainer Weiss, Barry Barish, Kip Thorne ，以表彰他們直接探測到了引力波。

2016年2月12日，激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）合作組宣布，他們於2015年9月14日探測到了引力波，它來自一個質量為36太陽質量的黑洞與一個29太陽質量的黑洞的碰撞，然後併合為一個62太陽質量的黑洞，失去的3太陽質量轉化為引力波的能量。「太陽質量」是天體質量的單位，1個太陽質量意思就是說，它的質量等於太陽的質量。2015年12月26日，2017年1月4日，2017年8月14日，LIGO又先後三次探測到黑洞併合產生的引力波。

獲獎人簡介

基普·索恩（Kip Stephen Thorne）

基普·索恩（Kip Stephen Thorne），1940年6月1日出生在美國猶他州的洛根市，現年77歲。父親維恩·索恩是農藝學專家，母親艾莉森·索恩是經濟學家。索恩早年在學術道路上順風順水，成為了加州理工歷史上最年輕的正教授之一。他於1962年獲得加州理工的學士學位，在1965年獲得普林斯頓大學的博士學位。1967年索恩回到加州理工被聘任為副教授，三年後晉陞為理論物理的教授。

雷納·韋斯（Rainer Weiss）

雷納·韋斯（Rainer Weiss），1932年9月29日在德國柏林出生，現年85歲。為了躲避政治動蕩，一家在1932年末搬家到布拉格，後在1938年搬家到美國。他年輕時在紐約市度過，曾就讀於哥倫比亞文法學校。他在1955年獲得麻省理工學士學位和1962年獲得麻省理工學院博士學位。他於1960至1962年執教於美國塔夫斯大學，1962至64年是普林斯頓大學的博士後學者，後於1964年加入麻省理工任教。

巴里·巴里什（Barry Clark Barish）

巴里·巴里什（Barry Clark Barish），出生在內布拉斯加州的奧馬哈，現年81歲。他在南加州長大，高中就讀於洛杉磯。1957年獲得物理學學士，1962年獲得加州大學伯克利分校的實驗高能物理的博士學位。1963年他加入加州理工。巴里什在美國自然科學基金會國家科學委員會批准資助該項目中發揮了重要作用，並對LIGO的建造和交付使用發揮了重要作用。他還創建了LIGO的科學合作組織（LIGO Scientific Collaboration），目前全球的合作者已經超過1000個。

專家解讀

曹軍威（清華大學教授，LIGO中方研究員）：

此次獲獎的意義在於，這一探測證實了阿爾伯特·愛因斯坦1915年發表的廣義相對論的一個重要預言，並開啟了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口。從未來的發展來看，開啟了引力波天文學的新時代，形成引力波觀測觸發下的多信使天文學。對我們中國而言，清華大學信息技術研究院LIGO科學合作組織工作組參與了引力波直接探測並作出了貢獻。中國亟需自主建設引力波天文台、培養跨領域人才、加強國際合作，進而帶動技術創新和科學發現，推動我國引力波研究的發展。

李淼（中山大學天文與空間科學研究院院長）：

LIGO最終探測到引力波是物理學界努力數十年的結果，其間有不少悲喜劇，例如試圖探測引力波的第一人韋伯後半生的遭遇，LIGO創始人羅納德·德雷弗不得不離開團隊，最近又不幸去世。無論如何，LIGO的探測過程和結果都是史詩級的，不僅證實了自然界存在第二種基本波，同時為人類探測宇宙打開了一個全新的窗口。

張雙南（中國科學院高能物理研究所研究員）：

現代物理學建立的標誌是一百年前建立的相對論和量子力學。量子力學以及基於量子力學的粒子物理標準模型的相關研究斬獲諾貝爾物理學獎無數，但是與此形成鮮明對照的是，不但愛因斯坦沒有因為相對論而獲得諾貝爾物理學獎，後來對於豐富相對論而做出了很多貢獻的物理學家們也無人因此獲得過諾貝爾物理學獎。因此，2017年的諾貝爾物理學獎授予了LIGO實驗直接探測到並且發現了廣義相對論的最重要預言引力波，不但是眾望所歸，而且也是對百年現代物理學做了一個了斷！

韓文標（中科院上海天文台引力波和相對論基本天文學課題組首席科學家）：

自從愛因斯坦提出他劃時代的引力理論這一百年以來，還沒有人因為引力理論本身獲得諾貝爾獎。即使愛因斯坦本人，也是因為其光電效應理論獲得的諾貝爾獎。

之後的一百年里，曾有物理學家因與引力理論相關的研究獲獎，比如赫爾斯和泰勒獲得1993年諾貝爾物理學獎，名義上是因為其發現了一類特殊的脈衝雙星。但其獲獎的一個物理實質是因為他們發現的這個脈衝雙星軌道衰減的速率正好和引力波導致的軌道衰減速率一致，從而間接的證實了引力波的存在。

可以說，在2017年之前，儘管愛因斯坦的引力理論——廣義相對論獲得廣泛應用，但仍沒有物理學家因為引力理論本身獲得代表科學界最高榮譽的諾貝爾獎。自2015年9月美國激光干涉引力天文台（LIGO）首次探測到引力波以來，引力波獲得諾貝爾獎就基本上成為科學界眾望所歸的事情。今年諾貝獎頒發給引力波的探測相關的物理學家，既是對探測引力波本身的物理學實驗的肯定，更是對一百年前，物理學最偉大的工作者之一——愛因斯坦的致敬。可以說，2017年諾貝爾獎頒發給這三位科學家，是眾望所歸。??

1915年，愛因斯坦發表廣義相對論論文，革新了自牛頓以來的引力觀和時空觀，創造性地論證了引力的本質是時空幾何在物質影響下的彎曲。1916年，愛因斯坦在廣義相對論的框架內，又發表論文論證了引力的作用以波動的形式傳播。

因為引力波的效果極其微弱，100年前的愛因斯坦認為引力波在任何能想像的情況下都可以忽略。50年以前，實驗物理學家Joe Weber勇敢的開拓了引力波探測的先河。40年前，天文學家Hulse和Taylor發現了脈衝雙星、間接證實了引力波的存在。25年前，物理學家Drever, Thorne和Weiss在美國國家科學基金的資助下開始建造激光干涉引力波天文台 (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，LIGO)。 今天，美國的LIGO和歐洲的VIRGO引力波探測器聯合發布消息，宣布已經探測到距離地球約13億光年的兩個大約30太陽質量的黑洞碰撞所發出的引力波。

在這個讓物理學家50年來望眼欲穿的、持續時間不到一秒鐘的事件(GW150914)中，4對在真空中相距4公里的40千克的玻璃鏡子的距離，以原子核尺寸千分之一大小的振幅振動了十幾次。這樣微乎其微的振動，被打在這些鏡子上的100千瓦的激光讀出，讓人類第一次「近距離的接觸」了黑洞。黑洞不再是科幻作品中的神奇物體，不再躲在高溫磁化的等離子體後面，也不再穩穩的坐在星系中央。這次，我們實實在在的觀察到了黑洞附近時間和空間的高度扭曲和脈動。引力波探測的成功，為人類觀察宇宙提供了一個嶄新的窗口。

引力

引力是無處不在的 。 它主導了天，讓宇宙、星系、恆星、行星有序地形成和演化；它主導了地，讓我們生活的地球分成了各個圈層，讓蘋果落地，讓人類羨慕鳥類飛翔，讓日出日落，山川秀麗。可是，引力雖然無處不在，它卻低調而又卓爾不群，以至於我們經常會忽略它： 我們生活中的五顏六色、酸甜苦辣，都是由電磁相互作用所產生的。而到目前為止，在微觀上，引力還是和其他基本相互作用不能融合！

引力是人類最早定量認識的相互作用，讓人類從無知走向科學。在17世紀，伽里略的斜塔實驗就通過運動學證明了引力對眾生平等，也就是等效原理 -- 不同材質的物體下落加速度一致。1687年，牛頓創建了萬有引力定律，並且發明微積分的數學方法對行星的運動進行精確的描述。後人用牛頓的理論發現了海王星和冥王星。雖然水星近日點的進動一直和牛頓預言鬧一點非常微小的矛盾，但是貌似引力的終極理論就此完成。

在牛頓發現引力之後的幾百年，物理學的進展更多的是在對電和磁的研究，1865年麥克斯韋最終建立了電場和磁場的大一統理論。到了1905年，愛因斯坦提出了狹義相對論，極具洞察力地論證了電磁場的統一性暗含了時間和空間的統一性：物理理論必須把時間和空間放在一起考慮，而時間和空間本身，失去了絕對意義。一個新的概念，「時空」，就這麼誕生了。

廣義相對論

儘管牛頓的萬有引力定律有著幾乎完美的實驗驗證，但是觀念上是把時間和空間分開考慮的，並且牛頓引力是瞬時傳播的。因此，牛頓引力和狹義相對論理論在概念上是矛盾的。提出了狹義相對論之後，愛因斯坦進一步研究引力和「時空幾何」的關係，重新思考伽里略所觀察到的物體下落加速度一致這個現象，意識到引力是一個非常特殊的相互作用。如果我們進入一個自由下落的參照系，那麼引力會消失！這就是為什麼在地球附近的宇航員會感覺到失重：不是因為他們離地球太遠，而是因為他們在自由下落！

如果我們進入自由下落的參照系，引力好像沒有了，是不是意味著引力只是參照系變換的產物，而不是真實的物理存在呢？不是的，因為宏觀上不同位置上自由下落的參照系是不同的！如果我們考慮一個足夠大的空間站，就會發現空間站不同位置上的物體會有相對加速的現象，這就是所謂的潮汐加速度。而這個加速度，是對所有物體都適用的。愛因斯坦把這個歸結於時空幾何的彎曲。

廣義相對論中的時空幾何，就是會讓本來速度彼此平行的自由下落物體彼此接近或者遠離。像牛頓引力中的蘋果落地一樣，廣義相對論中的彎曲幾何也可以用蘋果解釋。在蘋果的表面，如果畫一些起初平行的曲線，並且以同樣的初速度從這些平行曲線出發。那麼根據這些平行曲線的位置和走向不同，它們有的會彼此靠近（正曲率），有的會彼此遠離（負曲率）。

愛因斯坦聯繫時空幾何和物質分布的方程，可以寫成一個非常簡潔的張量形式：

這就是非常優美的愛因斯坦方程。在解釋為什麼廣義相對論可以解決引力瞬時傳播之前，咱們先看一下其艱深而又奇妙的一面。

愛因斯坦方程的求解

廣義相對論的方程形式美的令人陶醉，但是數學結構比蘋果表面的幾何複雜很多。 在相當一段時間裡，數學家和物理學家只能遠觀而不能與之親密接觸，只得到了愛因斯坦方程在少數情況下的解，而並不理解這些方程的意義。直到20世紀70年代初，數學物理學家才證明了愛因斯坦方程在原則上可以系統的用初始條件加時間演化的方法求解。在1979年，丘成桐先生和他的學生Richard Schoen用幾何分析的方法證明了《正質量定理》，給廣義相對論中質量的概念奠定了數學的基礎。真正女神的魅力是持久的，愛因斯坦方程解的全局性質、以及物理學家所用的數值解法的收斂性問題，至今也還是數學研究的前沿問題。

黑洞

自從愛因斯坦建立他的引力方程以來，科學家陸續發現了一些解析解，球對稱下的Schwarzschild解和軸對稱下的Kerr解。這些解所對應的時空中沒有任何質量，貌似是純時空幾何的彎曲。

後來，在Oppenheimer和Wheeler 等人的研究下，人們逐漸意識到，這是大質量星體燒盡核燃料以後，通過「塌縮」所達到的一個狀態。Wheeler把這些時空結構命名為「黑洞」。

在數學上，黑洞的時空有很多奇妙的結構。比如，黑洞有一個叫做「視界」的結構。在「時空圖」上，視界把時空分成兩部分，一部分是可以和遠處聯繫的，而另一部分，是無法和遠處聯繫的。當星體塌縮成黑洞時，坐在星體表面的觀測者會穿過黑洞的視界，而站在外面的觀測者，則不會看到星體表面的觀測者穿過視界，只是看到他的運動越來越慢，像是被「凍結」在視界表面。

再比如，在視界外面不遠，有一個「光球」。光在引力的作用下，可以在光球上繞著黑洞運轉，既不逃逸到無窮遠，也不落入黑洞。

在70年代，科學家又從數學上推斷出黑洞的一些其他性質。一方面，數學家證明了一系列的「黑洞唯一性」定理，顯示具有「視界」並且沒有物質的時空只能是有限的幾個黑洞的時空結構。另一方面，《黑洞微繞論》的創立讓物理學家從直觀上論證了在星體塌縮成黑洞的過程中，黑洞的幾何結構產生的過程。當霍金等物理學家把量子力學用在黑洞上時，驚奇地發現，黑洞也會通過所謂的」霍金輻射」蒸發。

天文學中的黑洞

黑洞在數學上奇妙的性質，引起了人們的無限遐想，也成為科幻作品的重要題材。可是，它是不是真實的物理存在呢？科學上要證明一個物體的存在，至少要觀測到它對別的物體的效應。

閉門造黑洞是不行的，要抬頭看天！

天文觀測中，科學家發現了一些疑似黑洞的物體。由於對愛因斯坦理論的信任和青睞，天文學家們一致認為這些物體就是黑洞。

第一類物體的質量是太陽的幾倍到幾十倍，它們存在於X-射線雙星里，並且尺寸小於幾十公里。按照廣義相對論的計算，這樣的物體必須是黑洞。這些物體發出的X-射線是由黑洞的伴星放出的氣體在往黑洞下落的時候相互擠壓、摩擦、加熱發出的。

第二類物體是存在於星系中心的超大質量黑洞，具有可以超過幾十、幾百萬倍的太陽質量，並且也有很小的尺寸，讓大家推測這些也必然是黑洞。比如，在銀河系的中心，就有一個四百萬太陽質量的黑洞。在另外一些星系中，有氣體不斷掉入黑洞，在黑洞附近形成一個繞著黑洞旋轉的「吸積盤」，並且在黑洞的旋轉軸附近發出「噴流」。這樣的一個系統叫做活動星系核，它會發射的強烈電磁輻射，是天文觀測的一個重要目標。

還有一類物體是中等質量的黑洞。它們可能產生於小質量黑洞併合，或者小黑洞吃掉很多恆星，或者是通過宇宙早期的大質量恆星塌縮而形成。在某些低光度的活動星系核，超亮X-射線源和球狀星團中有一些它們的蹤跡。

這些天文學中的觀測現象從一個側面證明了黑洞的存在，但是目前還沒法很精確的測定黑洞附近的幾何結構。這些黑洞也都是隨時間不變的穩定黑洞，它們周圍的時空結構，在我們觀測的這段時間內是不變的。

引力波

愛因斯坦在1916年就預言了引力波的存在: 他發現自己的方程有一組解，和電磁波的性質類似，以光速傳播。但是他在文章里又說（下圖中最後一句），因為這個引力波輻射的能量很少，在所有能想得到的情況下，引力波的輻射都可以被忽略。

Albert Einstein, N?herungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation, Sitzungsberichte der K?niglich Preu?ischen Akademie der Wissenschaften (Berlin), 1916.

在很長一段時間內，物理學家搞不清這個解的物理意義，更沒想到這個波可以有什麼觀測上的價值。在1960年左右，引力波的物理意義開始明朗，物理學家認為，引力波可以被看成是引力相互作用的傳播，並且可以被看成是攜帶著引力能。這就說明，引力相互作用是以光速傳播的。

想了解引力波所對應的時空幾何，需要把剛才光滑的蘋果變成粗糙的橘子：橘子表面有兩種彎曲的幾何結構。大尺度的時空幾何（橘子的半徑）代表了宇宙空間中的引力，而小尺度的幾何（粗糙的點點）代表了引力波。

在一個自由下落的物體參照系中，引力波可以看成是一個「潮汐引力場」。也就是說，距離這個物體越遠的物體，它感受到的引力場越大。在自由物體之間，潮汐引力場會引起他們相對位移按比例的變化（也就是「應變」）。引力波的振幅h，通常就用這個應變來代表。

如果不是自由下落的分開的物體，而是一個整個的彈性體，那麼引力場的效果還要看這個彈性體本身對外力的響應。

引力波探測的歷史

愛因斯坦說了，引力波很微弱，那麼到底有多麼微弱呢？我們下面舉一個例子說明。就算是人類歷史上最大的氫彈爆炸，我們可以粗略的估算一下離爆炸處一米之內的引力波振幅h，也就是它引起的自由下落物體之間的應變。這個應變，只有10^-27左右的量級。

雖然引力波這麼微弱，但還是沒有嚇倒勇敢的實驗物理學家Joe Weber。他深信，雖然地球上產生的引力波很微弱，宇宙空間中也許有天文現象可以導致足夠強的引力波。20世紀60年代末期，Weber開始用共振法測量引力波。具體就是用一個很大的金屬物體，利用引力波在物體的諧振頻率上引起共振的特點，希望從這個物體的振動中提取引力波的信號。Weber發表了一些實驗結果，認為已經發現了引力波。但是很可惜，他的實驗沒有人可以重複，而理論上也很難論證究竟是什麼樣的過程發出了這麼強烈的引力波信號。但是，Weber的工作激勵了一批科學家投身引力波事業。從20世紀70年代起，一批理論和實驗物理學家加入了引力波理論研究和實驗探測的行列。

MIT的實驗物理學家Weiss注意到，引力波對物體之間距離的變化，和物體之間本來的距離成正比。這樣的話，如果把物體之間的距離拉的很遠，並且把它們做成鏡子，然後用激光測距的方法測量鏡子之間的距離，就可以成倍的提高對引力波測量的精度。

在這個同時，英國Glasgow大學的Drever和休斯飛機公司的Forward也開始了激光干涉的引力波測量實驗。

1975年，就在引力波實驗逐漸發展的時候， 天文學家Hulse和Taylor發現了一對脈衝雙星。1982年，Taylor和 Weisberg通過其軌道頻率的演化，推斷出了這個雙星正在丟失能量，而這個能量丟失率和引力波導致的是一致。這給引力波的存在提供了一個強有力的間接證據：引力波終於從紙上走了出來！Hulse和Taylor在1993年因此獲得諾貝爾獎，脈衝雙星也成為研究廣義相對論和中子星的一個重要系統。

Kip Thorne

要提LIGO的歷史，得提一下《星際穿越》中的「非著名電影演員」 Kip Thorne。他是命名黑洞的物理學家John Wheeler的學生，算起來也是Richard Feynman的師弟 。Thorne早年在Princeton做研究生的時候，和Wheeler一起研究了引力塌縮的過程，在黑洞作為星體演化末態的學說上做出了重要的貢獻。從此， Thorne跟黑洞結下了不解之緣。不要驚訝，「引力聖經MTW」中的T和W就是Kip Thorne和John Wheeler。自從Weber「發現」引力波以後， Thorne就致力於黑洞和引力波這個新型輻射的研究。

2009年， Thorne從Caltech退休。他通過舊情人Lynda Obst認識了斯皮爾伯格和諾蘭，並且參與了以黑洞為主題的電影《星際穿越》的編劇和攝製，從此進軍好萊塢。每次有人托他辦事，他如果想推脫，就會說現在開始了新的電影生涯，忙不過來。不過，這次華盛頓DC的記者會，他也還是重新出山了，風采絕對不亞於其在好萊塢的光芒！

在20世紀70年代末， Thorne說服了Caltech支持引力波研究，Drever在Caltech建立了引力波探測實驗室。1979年美國國家科學基金會開始資助Drever和Thorne在Caltech，以及Weiss在MIT的激光干涉引力波測量預研究。

LIGO的引力波源和理論研究

最初，學術界普遍對探測引力波的可能性持懷疑態度。在早期，人們對引力波源的認識非常不足，一度認為超新星爆發是引力波探測的主要波源。後來，大家通過對超新星爆發的詳細計算，推斷出其所發出的引力波遠沒有以前想像的那麼大。

90年代初，Thorne和他的合作者認識到，雙黑洞和雙中子星的碰撞所發出的引力波可以有足夠的振幅被探測到。他開始系統的推進和開展引力波源的天體物理、相對論動力學研究和數據分析方法的研究。雖然多數人認為雙中子星是最靠譜的波源，Thorne一直認為雙黑洞因為質量比較大， LIGO可以看到比較遠的距離，所以相應的體積中就會有更多的可能性。因此，雖然雙黑洞的形成過程不太明確，但是還是有可能是最先被探測到的。想要研究雙黑洞的引力波，必須先計算出廣義相對論對雙黑洞碰撞的預言。物理學家通過「數值相對論」的方法，用大型計算機對愛因斯坦方程進行求解。

LIGO計劃的實施

在90年代初，由Drever, Thorne和Weiss領導的LIGO項目得到了美國National Science Foundation的資助，在美國的華盛頓州和路易斯安那州分別建造一個臂長四公里的干涉儀。在最早的LIGO計劃書中，雙黑洞和雙中子星的碰撞過程是主要的目標。他們就提到了一個三步計劃：第一步的initial LIGO在設計靈敏度下可以看到5億光年以外的雙黑洞碰撞，第二步的Advacned LIGO在設計靈敏度下可以看到70億光年以外的雙黑洞碰撞。 這多出的14倍的距離，相當於多覆蓋了宇宙中將近三千倍的體積。今天的Advanced LIGO，尚未達到設計靈敏度，就已經看到了14億光年以外的雙黑洞碰撞。

那麼，到底多少億光年的覆蓋距離才夠呢？天文觀測具有一定的隨機性，但是隨機過程也是可以從統計上進行把握的。為了不重蹈Joe Weber的覆轍，LIGO科學家們事先要推算出一定體積內黑洞、中子星碰撞的發生率。推測發生率，要根據天文學家對宇宙中星系的分布、星系中雙星的形成、演化等一系列信息進行綜合考慮。在沒有引力波探測作為依據的情況下，對這些發生率推斷是有很大誤差的。根據當時最好的估計，initial LIGO應該只有很少的希望可以看到雙黑洞的碰撞，而幾乎沒有希望看到雙中子星的碰撞。Advanced LIGO很可能可以很容易的看到雙黑洞的碰撞，而應該可以保證至少探測到幾個雙中子星的碰撞。從這個角度來看，今天的成功，雖然是幸運，也並不是意料之外的事情。並且，既然我們已經在這個靈敏度下探測到了一個事件，這就意味著如果我們按照這個靈敏度繼續探測，勢必會有更多的事件被探測到。

LIGO的靈敏度和運行

LIGO探測器在1999年最初建成，然後花了5年時間，在2005年到達了設計靈敏度，可以測量在60Hz以上，10kHz以下的引力波，位移變靈敏度達到10^-21。這是什麼概念呢？這樣的應變，如果是用到從地球到太陽之間的距離，導致的距離變化不超過頭髮絲的十萬分之一。換算到千米量級的臂長，它對檢驗質量位移的靈敏度可以達到10^-18米，是原子核大小的1/1000！

LIGO為什麼可以達到比原子核大小還要小的靈敏度呢？

從光學定位的角度考慮，這是因為LIGO用了很強的激光，並且使用了光學諧振放大的方法。每一個光子，可以對位置進行一個光波長左右的測量。而光子在諧振腔中反覆傳播100次，就可以測量光波長百分之一的距離變化，也就是10^-8米。如果用多個光子，靈敏度會按光子個數的平方根增加。於是，10^20個光子，就可以達到10^-18米的靈敏度了。

而從原子尺度考慮，則是因為LIGO的光束打在了很多個原子上，這個平均的效應讓我們可以測量到比單個原子尺寸更小的位移。在2003到2009年這段時間，LIGO-1採集了一些數據，並且作出了分析。但是在這個數據裡面並沒有發現引力波。從2009到2015年，LIGO進行了歷時6年的升級，從LIGO-1升級到LIGO-2，也就是Advanced LIGO。

世界各國的大型引力波探測器

在美國的LIGO計劃開始之後，歐洲也開始進行引力波探測計劃。目前，比較大型的探測器是由英國和德國合作，在德國Hannover附近建造的GEO 600探測器，以及由法國和義大利合作，在義大利Pisa附近的VIRGO探測器。GEO 600探測器的壁長是600米，而VIRGO的臂長是3000米。相比之下,VIRGO的造價和性能都遠高於GEO 600，而和LIGO相當。

大家也許會問，為什麼經濟實力更強的英、德兩國在引力波探測器的規模上竟然會比不過法意兩國呢？據說，本來前西德也要建造一個4公里臂長的探測器。但是由於東西德合併，西德支持東德，這個經費就被砍掉了，只好建造一個600米的探測器。

最近，日本也開始建造大型的KaGRA引力波探測器。早年，在日本有一個TAMA300探測器，位於東京附近的三鷹市，在日本的國家天文台院內，臂長300米。日本科學家多年來一直致力於推動大型引力波探測，這個KaGRA項目終於在2008年立項。目前，這個探測器的建設已經基本完成，進入了調試階段。

前些年，印度也開始加入了引力波探測的行列。LIGO實驗室和印度引力波物理學界已經達成協議，計劃把LIGO的一部分實驗設備運往印度，並在印度開設一個LIGO-India的引力波觀測站。

GW150914

正可謂「謀事在人，成事在天」。回顧一下150914，它的發現是和人類歷史上許多偉大發現一樣，是一個偶然。

發現

在LIGO的正式運行中，都會做一個Blind Injection的操作：就是讓幾個合作者在數據裡面偷偷的加上一些模擬的引力波信號，並且把這些信號的參數保密。這樣，其他處理數據的人就算是有所發現，也沒法知道真假。直到最後一刻，主持人打開信封，宣布偷偷加上的信號的參數，大家才恍然大悟。Blind Injection不但會提高士氣，也會杜絕泄密。這個方法在LIGO-1的運行中頗有成效。

在2015年9月份，LIGO開始了一次工程試運行（Engineering Run）。因為只是調試運行，盲注的機制都沒有組織好，所以根本就沒有盲注。沒想到，有些事情不能隨便試的，沒開始幾天就發現了一個置信度超高的引力波信號。這個信號大到什麼程度呢？就是只做一些簡單的濾波後就可以用肉眼在數據的波形中發現了。自己看數據吧：

碰撞的過程

除去再次驗證了愛因斯坦的神奇之處, 從這個探測到的引力波事件，我們可以學到什麼呢？

從波的頻率演化看，在低頻的部分開始。

第一階段。兩個黑洞的引力波頻率從30Hz開始。這在引力波天文學中是比較低的頻段，但是這就意味著黑洞是15Hz軌道頻率。再具體點就是，這兩個黑洞分別為36和30太陽質量，每個半徑大約是一百公里左右，距離是一千公里，每秒鐘互相轉15圈。

第二階段。到兩個黑洞快併合的時候，引力波頻率達到100Hz，軌道頻率50Hz，就是每秒鐘轉50圈。這個時候兩個黑洞已經快形成一體了，它們每個人「中心」之間的距離大概是兩百公里左右。

第三階段。然後，這個合併成一體的扭曲的黑洞繼續震蕩，逐漸變成一個新的、旋轉的黑洞（科爾黑洞）。這個黑洞的質量是63個太陽質量，它的半徑大約是160公里。在這個震蕩的過程中，這個黑洞主要示發射頻率在240Hz左右的引力波，說明它在以120Hz左右旋轉，也就是每秒鐘120圈。這個過程也可以看做是引力波在黑洞的「光球」周圍繞轉，並且逐漸逃逸到遠處。

為什麼最終的質量小於兩個併合黑洞之和呢？我們不是說過引力波攜帶能量嗎？有一部分的質量以引力波的形式被釋放了。這些引力波攜帶的能量等於3個太陽質量，相當於百分之五的「質量」轉化成了「能量。順便說一句，號稱宇宙中最亮的天體伽馬射線暴一般釋放幾千分之一太陽質量所相當的能量。這次引力波功率峰值達到整個可見宇宙發光功率的50倍。

黑洞離地球的距離，是從引力波的絕對振幅所推斷的。根據這個推斷，我們得知碰撞過程發生在14億光年以外。對應到標準宇宙學中的「紅移」，這個事件所在的紅移是0.09。在這個事件發生的時候，咱們的宇宙的「尺寸」是現在的91%。

意義

上面的三個過程，讓我們第一次「親眼看到」了黑洞的存在。由於引力波可以看成是直接推動了鏡子的機械振動，我們也可以說是親耳聽到了黑洞的存在！

為什麼我們知道是兩個黑洞變成一個黑洞呢？下面我們給一個粗略的解釋。單個物體的質量，可以從是通過波形的振幅和頻率隨時間演化所測定的。而上面第一、二個階段的轉換，可以讓我們推測出每個物體的尺寸，從而斷定它們都是黑洞。第三個階段，波形的頻率和衰減率可以讓我們推斷出最後形成黑洞的「光球」的存在和光球附近的幾何結構。

LIGO科學家還從這個引力波的波形， 對相對論的預言做了一定的檢驗，並且在統計誤差範圍之內沒有發現和相對論的區別。粗略的說，就是在波形的不同時間、不同頻段，和相對論預言的吻合程度相對一致，沒有發現系統的差別。

其中一個比較有特色的檢驗就是關於引力波的傳播速度的檢驗。沒有其他方法比較，怎麼能說明引力波是以光速傳播呢？簡單的答案就是，對於這個事件，由於沒有其他方法比較，只能間接的對引力波的傳播做一個檢驗。由於在不同頻段波形和廣義相對論的預言吻合，我們可以推斷，引力波在不同頻率上的傳播速度一致。不同頻率上傳播速度一致的波，根據「狹義相對論協變性」的要求，一般來說應該是以光速傳播的。於是，從這個意義上講，這次也算是部分、間接的驗證了引力波以光速傳播這個性質。

引力波天文學

直接探測到雙黑洞的碰撞，只是引力波天文學的開端。就算你猜中開頭，也絕猜不到結尾！因為沒有結尾！

對於雙黑洞引力波的研究，GW150914隻是一個開端。更多的雙黑洞事件，會讓我們更詳細的了解黑洞附近的時空幾何，以及黑洞碰撞時候時空的幾何動力學性質。下一步使用LIGO，我們還期待著雙中子星、黑洞中子星碰撞的發現。這些，還會讓我們了解中子星的內部結構。更進一步的，LIGO還希望可以探測到從單個中子星發出的連續引力波輻射，甚至是背景引力波輻射。LIGO打開了一扇探索宇宙的新窗口，更令人興奮的是一些未知源的引力波爆也可能被探測到。

大部分引力波源發射引力波的時候也發射傳統天文學的「信使」：電磁波，中微子和宇宙線。 結合傳統天文學的信使，引力波－多信使對應體－宿主星系這一體系的進一步聯合觀測將不但有利於提高引力波的定位和參數估計精度，還能提供對於引力波多信使對應體本質的更多理解。

在Advanced LIGO之後，我們希望能提高地面引力波探測器的精度，從而探測到更多的雙黑洞，雙中子星，中子星－黑洞雙星等事件；這將提供關於詳細的黑洞形成和演化的更確切數據，更可以使我們直接推斷中子星狀態方程，暗能量狀態方程等等物理學、天文學、宇宙學更為有趣的問題。增加更多的事件、並且探測到更高信噪比的信號，也有利於精確的研究黑洞的性質，與廣義相對論做更詳細的比對。

更進一步，我們要在空間建立引力波探測器。在空間，物體之間的距離更長，而且沒有地面上振動的擾動，讓我們可以觀察低頻率的引力波，可以探索超大質量黑洞繞轉和小黑洞圍繞大黑洞旋轉等有趣的現象，從而了解星系形成的過程和進一步了解黑洞周圍的時空結構。

文末有知社學術圈對陳、范兩位老師獨家採訪

陳雁北，加州理工學院物理學教授，美國物理學會會士。2003年在Kip Thorne指導下從加州理工學院獲得博士學位。2007年回加州理工任助理教授，2013年升任正教授。

范錫龍，湖北第二師範學院物理學副教授，中國引力與相對論天體物理學會會員。2006年-2007年訪問德國馬普所引力物理研究所1年，跟隨陳雁北、溫琳清等人學習。2008年在朱宗宏教授指導下獲得北京師範大學碩士學位。2012年獲得義大利里雅思特大學博士。曾獲得英國皇家學會「 Newton International Fellowships 」和中國國家自然科學基金資助。

陳雁北（右）和范錫龍（左）在加州理工辦公室

知社：能不能介紹一下您在LIGO科學聯盟中的工作，以及對引力波探測的貢獻？

陳雁北：我在1999年進入Caltech的時候，本來沒有太多的目的性。但是聽了Kip Thorne講課，覺得他這個教授比較有意思：不但興趣廣泛，而且往往能把很複雜的問題用很簡單的方法搞定。我那時候覺得我自己數理基礎不是特別好，不敢搞特別抽象的高能物理理論，手又笨搞不了實驗，於是就決定追隨Kip Thorne。

從1980年開始，Kip Thorne和他的學生Carlton Caves，以及合作者，莫斯科大學的Vladimir Braginsky和Farid Khalili在對LIGO靈敏度的研究中，涉及到了對單個量子物體連續測量的理論，我剛入學的時候對這個問題特別感興趣。

我一開始是和一個博士後，Alessandra Buonanno，一起做一些量子光學的計算。現在Alessandra是德國馬普引力物理研究所的Director之一，在這次引力波事件的分析中起到了決定性的領導作用。後來這些就可以用來計算Advanced LIGO這個光學結構下光的量子漲落所導致的雜訊。其實我們的公式到現在還沒有用上，因為Advanced LIGO還沒有用到足夠的激光光強。我後來就一直繼續對量子雜訊的計算，和下一代LIGO的光學設計的研究。我在博士期間第二個工作，也是和Alessandra以及另外兩個研究生Michele Vallisneri、潘奕一起，研究在第一代LIGO中怎麼最優的提取出雙黑洞的信號。在那個時候，數值相對論的模擬還不成熟，所以我們都是考慮怎麼把微擾論的結果用在LIGO的數據分析上。

博士畢業以後，我到德國的馬普引力物理研究所，並且繼續參與LIGO的研究。我在Caltech做博士的最後幾年，以及在德國的時候，initial LIGO在提取數據，但是沒有探測到引力波。但是由於那時候大家覺得LIGO也有可能發現引力波，德國的洪堡基金會發給了我一個Sofja Kovalevskaya Award，讓我領導了一個科研小組。那幾年我主要是研究宏觀物體的量子測量問題，以及怎麼樣用LIGO同時作為檢驗量子力學的工具。我也同時和日本國家天文台的川村教授合作了一些空間引力波探測器的設計，還和馬普所的博士後溫琳清（現在在西澳大利亞大學）合作了多探測器引力波數據分析策略的研究。我也同時做了一些空間引力波探測器的設計、以及引力波數據分析策略的研究。我和那時候馬普的研究生P. Ajith、博士後Martin Hewitson一起發明的Phenominological Template Bank，現在是LIGO雙黑洞數據處理中的一個重要方法。

回到Caltech以後，我繼續做量子測量、LIGO光學設計的研究，也和Caltech的Rana Adhikari教授合作，做了一些LIGO中光學器件熱雜訊的研究。在廣義相對論方面，我開始研究黑洞微擾論，並且開始研究黑洞合併時候幾何動力學的一些特點。在數據分析方面，我和西澳大學的溫琳清教授合作，發展了一個快速提取中子星併合波形的數據處理方案。這個方案正由溫教授實施在LIGO中。

知社：對探測如此微弱的引力波，剛開始的時候有沒有信心，中間有沒有產生懷疑，看到這個數據的時候，是什麼樣的一種心情？

陳雁北：對於我個人來說，LIGO給了我一個很好的機會，讓我可以研究各種各樣的物理問題。就算LIGO沒有探測到引力波，其中也有很多有意思的問題可以研究。比如量子光學，比如廣義相對論和黑洞物理，比如數據分析的方法，還有非平衡態熱力學的一些知識。在我科研生涯的前十幾年，我覺得我嘗試了、學會了很多東西。對於我來說，雙黑洞探測的成功也許是一個轉折點，我以後可能要更集中精力研究和黑洞有關的問題。

范錫龍：第一次注意到這個事件的時候是在北京師範大學，那時候我和其他同事正籌劃召開一個引力波天文學研討會，再加上之前有過盲注，就沒在意。2015年9月16日左右，我和來自英國格拉斯哥大學LVC成員早餐時間在師大餐廳討論這個信號，我的觀點是如果是真的就太幸運了，我不相信。有趣的是，因為保密原則，我們不能提及任何引力波的事情。旁邊的人如果認真偷聽，會聽到英文版的：「那個事（the event）是真的嗎？」「可能嗎？不會吧！」「那個事很太明顯！」之類的談話。我們談話期間，天文系朱宗宏老師走了過來，他是非lvc成員的引力波專家。那情形就是我們突然停住了談話，大家相互張望，異常有趣。

我對於信號的懷疑程度的變化直到開了一次lvc電話會議，盲注團隊說沒有任何已知信號注入行為，然後儀器團隊說數據很乾凈。我當時有一絲絲相信我們可能真的做到了。2016年1月22日凌晨1點36分，經過了渾身顫抖的短暫等待，我淚流滿面，因為lvc電話會議宣布：lvc集體投票決定第10版「探測文章」可以投稿。我知道，我們做到了。

直到現在，一想到這個發現，我還是心跳加速。

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