引力波發(fā)現(xiàn)者雷納·韋斯：建議中國研制第三代探測器

2015年的9月14日，一個星期一的早上，雷納·韋斯像往常一樣查看了一遍LIGO列文斯頓的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，忽然，他注意到一個前所未見的奇異波形，他立即查看了LIGO位于漢福德的另一臺探測器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)相似的奇異波形赫然擺在雷納眼前時，他忍不住大叫，“啊，有人在搗亂！”

在經(jīng)過了近五個月的研究后，激光干涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）合作組于2016年2月11日宣布，這個奇異波形不是“有人在搗亂”，他們于2015年9月14日探測到的，正是愛因斯坦廣義相對論中推導(dǎo)出的引力波。它來自13億年前，一個質(zhì)量為36太陽質(zhì)量的黑洞與一個29太陽質(zhì)量的黑洞的碰撞，然后并合為一個62太陽質(zhì)量的黑洞，失去的3太陽質(zhì)量轉(zhuǎn)化為引力波的能量。

在愛因斯坦提出相對論正好一百年后，人類終于第一次聽到了13億年前來自宇宙深處的“鳥鳴”。

盡管雷納很生動地描述了他發(fā)現(xiàn)引力波的瞬間，常人也依然很難感受到雷納當(dāng)時的心情，要知道，在一百年前愛因斯坦提出廣義相對論之后，無數(shù)科學(xué)家都在想辦法探測引力波，幾代人皓首窮經(jīng)做研究，沒有突破。而在此之前的22年里，雷納和數(shù)千名天文學(xué)家為之工作的LIGO項(xiàng)目，沒有任何發(fā)現(xiàn)。

2015年12月26日，2017年1月4日，2017年8月14日，LIGO又先后三次探測到黑洞并合產(chǎn)生的引力波。

2017年8月17日，為第四次探測到引力波而興奮不已的雷納在一個星期內(nèi)收獲了更大的驚喜。LIGO探測到了約1.3億年前雙中子星碰撞產(chǎn)生的引力波！更幸運(yùn)的是，這次的引力波恰好位于遠(yuǎn)在意大利的Virgo探測器的盲點(diǎn)區(qū)，這大大縮減了引力波源定位的范圍?？茖W(xué)家很快將波源鎖定在一個僅31平方度的天區(qū)。一時間，光學(xué)，紅外，紫外，高能，射電，全球70多家天文望遠(yuǎn)鏡都對準(zhǔn)了長蛇座NGC4993星系。

前幾次的引力波，都是黑洞合并產(chǎn)生的，并不能直接觀測到，而LIGO第五次探測到的雙中子星碰撞，迸發(fā)出了熾烈而耀眼的火光。

用天體物理學(xué)家張雙南的話來說，“人類不但聽到了天體結(jié)合發(fā)出的美妙歌聲，而且也看到了它們相愛迸發(fā)的煙花！”

從此，在浩淼的宇宙面前，“人類終于耳聰目明了”。

這場用引力波和電磁波一起看到的宏大宇宙煙火，也意味著，人類從此邁進(jìn)了多信使天文學(xué)時代。

自1985年起，半數(shù)以上榮獲諾貝爾物理學(xué)獎的研究成果均來自20多年前。而今年的物理學(xué)獎，毫無懸念地火速頒給了兩年前首次探測到引力波的科學(xué)家，LIGO的創(chuàng)始人、領(lǐng)導(dǎo)者雷納·韋斯（Rainer Weiss），基普·索恩（Kip Thorne）以及巴里·巴里什（Barry Barish）。而對這次火速頒獎，學(xué)界普遍認(rèn)為，是眾望所歸，而引力波，也毫無爭議地登上了科學(xué)2017年十大發(fā)現(xiàn)的榜首。

在瑞典接受了諾貝爾獎后，懷揣著嶄新的獎?wù)拢豢茖W(xué)家的第一站，來到了中國，在上海接受了復(fù)旦-中植科學(xué)獎后，雷納?韋斯和基普?索恩來到北京師范大學(xué)，接受了網(wǎng)易科技等媒體的采訪，并在未來論壇上進(jìn)行了長達(dá)兩小時的演講。其中，雷納?韋斯講解了引力波的概念，探測器的設(shè)計(jì)和在引力波方面的最新發(fā)現(xiàn)，基普?索恩則詳細(xì)描述了幾代人探索引力波的過程，和引力波未來的種種可能。

引力波的概念抽象深奧，兩位教授的演講卻并不艱澀難懂，讓沒有物理基礎(chǔ)的觀眾也聽得津津有味，并一起為人類歷史上里程碑式的發(fā)現(xiàn)而激動。這大概是因?yàn)?，兩位教授在耄耋之年，仍保持著對科學(xué)無限好奇的童心。雷納在之后的對談中表示，他們特別喜歡給小孩上科普課，“只要你不用什么大詞，給孩子們講彩虹是怎么形成的，他們會特別特別激動。”而驅(qū)動人類數(shù)百年仰望星空，孜孜不倦探索，并最終與引力波相遇的，大概也正是這種孩童原初時就具有的好奇本能。

網(wǎng)易科技根據(jù)現(xiàn)場錄音聽譯，整理了兩位諾獎得主的演講。分成兩部分推送，后續(xù)還會推出基普·索恩的演講內(nèi)容以及網(wǎng)易科技與兩位諾獎得主的對談，敬請關(guān)注。

以下是雷納韋斯的演講全文，略經(jīng)編輯：

謝謝，很高興來到這里。我們會把演講分為兩部分，我想給大家講一下引力波的概念，我們是如何探測引力波的，以及我們在引力波方面最新的發(fā)現(xiàn)。Kip 會給大家講一下理論，并探討一下引力波未來的種種可能。

首先想給大家講一下愛因斯坦在引力方面的貢獻(xiàn)，尤其是與牛頓理論的不同。

牛頓的萬有引力大家可能在高中已經(jīng)學(xué)過了。萬有引力定律稱，任何物體之間都有相互吸引力，這個力的大小與各個物體的質(zhì)量成正比例，而與它們之間的距離的平方成反比。

這個定律在物理學(xué)歷史上非常重要，后來被愛因斯坦的一個非常有趣也非常復(fù)雜的想法所代替。愛因斯坦讓這個想法越來越接近我們現(xiàn)在所探索的部分。

牛頓理論中有哪些問題呢？在愛因斯坦看來，錯在兩點(diǎn)。第一，是在高速運(yùn)動的大質(zhì)量物體之間，萬有引力是有問題的，在牛頓的理論中有一些小的誤差，比如著名的水星進(jìn)動問題。

另外一點(diǎn)是，在牛頓的萬有引力定律中，引力的傳播速度是沒有被考慮進(jìn)去的，牛頓認(rèn)為，引力是立即作用的，沒有時間差。而在1905年的狹義相對論中愛因斯坦提到，引力的傳播速度是不能超過光速的。當(dāng)然在這里我不給大家解釋這個等式了，因?yàn)檫@不是我今天講的主要內(nèi)容。但是我們可以給大家大概講解一下里面的內(nèi)容，這張圖能夠幫助大家理解這樣一個理論。

在這里大家能夠看到有這樣一個網(wǎng)絡(luò)，你可以把它想成一個小孩的攀爬架，每個格子都是正方形的。在中間，太陽出現(xiàn)的位置，正方形的格子發(fā)生了彎曲，網(wǎng)格中的一些直線會變成曲線，空間被扭曲了。在旁邊是地球，地球所帶來的空間扭曲比較小。如果在這些所有的線中放一個鐘表的話，大家就能夠發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象：在遠(yuǎn)處，在未發(fā)生扭曲的正常方格的鐘表記錄的時間都是一樣的，但是放置在扭曲空間的鐘表就會走的更快一些。

所以，愛因斯坦的理論在兩個方面代替了萬有引力。

第一，引力不再是一種力，質(zhì)量讓引力產(chǎn)生了空間的扭曲，同時也帶來了時間的扭曲。然后，愛因斯坦的理論表示，正是這種時空的扭曲，取代了所謂引力，導(dǎo)致了產(chǎn)生引力的物體的運(yùn)動。時空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動，而物質(zhì)引導(dǎo)時空如何彎曲。這就是我希望大家理解愛因斯坦理論的方式，Kip可能會有更好的解釋方式。

下面我想快速解釋一下，在愛因斯坦的理論中，什么是引力波。引力波的來源是因?yàn)橛屑铀龠\(yùn)動的物體，而愛因斯坦的預(yù)測是，這些物體之間會有一種波以光速傳播，也就是引力波?，F(xiàn)在我們知道，物體間確實(shí)有這樣的波，而且是傳送波。

在二維圖片中我們能看到，有很多波和物體，這些波或者傳向你，或者傳向屏幕深處。這個圖如果一直看你可能會有點(diǎn)頭暈，但如果你站在圖的中間，也就是紅色的方框里面的話，你會發(fā)現(xiàn)，空間在一個維度被拉伸的同時，在另一個維度上你也能感覺到對應(yīng)的壓縮。

你還會觀察到另外一件事情，這可能需要更多的分析才能講明白，就是當(dāng)你站在這里的時候，你會發(fā)現(xiàn)，離你最近的這兩個點(diǎn)，它們的移動范圍并不大，反倒離我們越遠(yuǎn)的點(diǎn)移動的范圍就會越大。這個圖告訴我們，引力波是怎么樣來改變物體之間的距離的。物體運(yùn)動的幅度與原本物體間距離成正比。盡管每個點(diǎn)都是分別存在的，但也會隨著整個時空的扭曲而發(fā)生變化。換句話說，在任何一個方向上，物體位移的距離，除以物體間的距離，可以得到一個常數(shù)，我們稱之為應(yīng)變（strain）。我一會兒還會詳細(xì)講一下。

如果要以最簡單的方式來檢測是否有引力波，要怎么做呢？下面我用一個可視化的模型給大家展示一下，我們?nèi)绾文M引力波，LIGO就是這么做的，它先是模擬了引力波。

我在這邊有一個動圖。想象引力波從左下方往上傳播的時候，我們在左手邊有一個激光的發(fā)射器，這是激光，雖然長得不太像。在中間有一個分光器，也就是把光線做一個分割，這個激光照射到分光器上面就會產(chǎn)生一個分割，有一部分會分到左手邊的鏡子，有一部分會去到右上方的鏡子，激光反射回來，然后匯合到探測器上進(jìn)行測量。兩邊的光傳播的時間是一樣的。我們可以把鏡子試想成一個點(diǎn)，也就是我們剛剛在正方形上的紅點(diǎn)，代表了二維空間的相等距離。

在動圖中，紅色的部分就是激光，光里面曲線是光的電場，理想情況下，激光通過兩邊鏡子的反射回來，因?yàn)橛羞@個分光器阻擋，所以光無法進(jìn)入探測器。那引力波是怎么做的呢？因?yàn)榭臻g被扭曲，它把一側(cè)鏡子挪近，另一側(cè)鏡子挪遠(yuǎn)，結(jié)果就是，探測器探測到了激光。不管扭曲讓這個路徑變成什么樣，鏡子的距離都不再相等了。只要距離不再相等，探測器就能探測到激光。這就是引力波探測器的最原始的原理。

這個想法是很簡單的，但是隨后Kip跳了出來，說，嘿，事情沒你想象得這么簡單。因?yàn)椋谝?，有我們剛剛所說的應(yīng)變。Kip Thorne做了非常多的工作，和他的同事們一起找到了非常多的證據(jù)。我們發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變至少要在10的負(fù)21次方之下，才能測量出引力波。這是一個非常非常小的數(shù)值。

假設(shè)你達(dá)到了如此高精度的測量水平，能測量出這個應(yīng)變，試想測量一個四公里長的引力波，這也是最終建成的引力波探測器的長度，最后我們會得到這樣的一個位移的數(shù)值——4×10的負(fù)18次方的長度，這意味著，你要測量一個東西，它經(jīng)過了四公里只移動了一個核直徑的千分之一的距離，比納米還要小很多很多，非常有挑戰(zhàn)性。這個挑戰(zhàn)來自于兩方面，一方面是，你要測量鏡子的位置變化，這個變化細(xì)微到只有光波長的10的負(fù)12次方，另一方面，你還要確保鏡子本身不會因?yàn)榉且Σǖ脑虍a(chǎn)生晃動，這是測量中更困難的一部分。這也是為什么我們花了如此長的時間才探測成功。

關(guān)于第一個問題，我們花費(fèi)了很多年，研究出了新的設(shè)備，有非常多人都對這樣的一個設(shè)備做出了貢獻(xiàn)。

我們在這邊可以看到這樣一個探測器，我們的LIGO探測器也是基于這樣的原理所制造和搭建出來的，我們在這邊看到有激光，這邊是分光鏡，分光鏡剛剛我們也展示過了，左手邊有一面鏡子，另外后面部分也有一面鏡子，分光鏡可以把光線分成兩個部分，然后我們在兩邊的鏡子和分光鏡中間又各加了一面鏡子，這樣光不是只反射一次，而是不停反射，可以達(dá)到400到500次反射。

大家可能沒有注意到，當(dāng)探測器沒有探測到光的時候，我們可以證明到這個光去到了兩面鏡子當(dāng)中，它的路徑就是沿原路返回，反射回來之后回到分光鏡再回到激光的發(fā)射器。但是我?guī)孜煌孪氤龅男碌穆斆鬓k法是，如果在激光發(fā)射器和分光鏡之間再加一個鏡子，這些回來的這些光，它會再一次受到這個鏡子的反射，再回去分光鏡，這和激光發(fā)射器出來的激光又發(fā)生了一次干涉，起到了一個抵消的作用。我們的目的就是讓激光發(fā)射器中所有的光都在這個空間里面不停地反射，反射500次，500次太多，大概200次，這大大增加了引力波探測器的敏感度。

這只解決了第一個問題，那另一個更難的問題是怎么解決的呢？我們在這邊有兩個鏡子，把它們做成鐘擺的形狀，如果我飛快地小幅度搖動這個鐘擺，底下吊著的鏡子應(yīng)該是保持不動的，而這兩個美麗的鏡子就是用來反射激光的。

這個擺不是做一次，而是做四次。在下圖中，我們可以看到一共是四個鐘擺。使用這個鐘擺裝置，我們可以把鏡子從地面的振動中隔離開來，而這只是我們解決方案的一部分。這個鐘擺裝置放在一個很復(fù)雜的大型裝置中，左邊是整個大型裝置的組裝圖。

這個完整的裝置是什么呢？它能夠測量我們地面的運(yùn)動，同時，當(dāng)測量到地面的運(yùn)動的時候，這個裝置重置一下平臺，抵消掉來自地面的運(yùn)動。就像我們坐飛機(jī)的時候，有的時候會戴降噪耳機(jī)，降噪耳機(jī)發(fā)出的聲波，可以抵消掉飛機(jī)的噪聲。這個裝置也是同樣的原理。

現(xiàn)在我們終于講到了LIGO。LIGO是兩個非常大的引力波探測器，一個在華盛頓，另一個在路易斯安那。還有其他探測器，有在意大利的Virgo，還有德國的GEO600，他們都是探測器，引力波探測器形成了一個網(wǎng)絡(luò)。

大概一年半之前，在9月份的時候，LIGO觀測到了一個波形，波的曲線一開始沒有什么，然后突然變得非常陡峭，下圖左右分別是在華盛頓和路易斯安那所觀測到的波，兩地之間相差8毫秒的光速距離，現(xiàn)在已經(jīng)有很多證據(jù)表明，引力波是以光速傳播的。

上圖第二行的圖表是理論上引力波的波形。第一行理論上的波形和實(shí)際上的波形的對比，可以看到這個理論上的圖繪制得很好，非常準(zhǔn)確。最下面展示的是兩個黑洞互相之間繞轉(zhuǎn)產(chǎn)生的引力波。豎軸是頻率，橫軸是時間，我們可以看到它的頻率在不斷地變化，隨著時間的推移。我們可以看到他們之間的間距是越來越短的，曲線的間距越來越短，同樣，左右兩邊的圖很相象。

這是兩個30太陽質(zhì)量左右的黑洞不斷地彼此運(yùn)動產(chǎn)生的引力波，可以看到兩邊應(yīng)變的變化，這是我們最開始所觀測到的。在產(chǎn)生引力波的同時，消耗了三個太陽質(zhì)量的能量，這是非常巨大的能量消耗。我們認(rèn)為這就是第一次觀測到的引力波。之后，探測器日復(fù)一日的工作，我們又觀測到了第二個引力波，這是兩個相對較輕質(zhì)量的天體，信號比第一個微弱些。然后又觀測到了第三個，每一個是在不同的觀測點(diǎn)。這個天空的圖展示的是引力波方位的大體范圍。因?yàn)橹挥袃膳_探測器，我們只能畫出一個香蕉形狀的大體范圍。這個香蕉形的區(qū)域大概有一千平方度。前兩個引力波我們都無法判斷它的具體方位，這是只有兩臺探測器導(dǎo)致的問題。

然后最近在今年8月份的時候，我們第三次探測到引力波，它不僅僅是在利文斯頓和漢福德被探測到的，在歐洲的Virgo也檢測到了引力波，?Virgo的檢測讓我們縮小了引力波所在的范圍。未來如果更多的探測器，我們就能夠更多的得到關(guān)于引力波信息的來源。

在這之后，我們又發(fā)現(xiàn)了最讓人激動的現(xiàn)象，當(dāng)然之前探測到已經(jīng)是非常令人激動的了，而這次觀測簡直讓我欣喜若狂了。我們非常幸運(yùn)，在同一個月中，就在我們打算關(guān)掉探測器之前，我們又觀察到了另外一個現(xiàn)象，這次觀測到不是黑洞了，而是在這兒，大家能夠看到，這是關(guān)于時間，這是關(guān)于頻率等等這些信息，所以我們把頻譜進(jìn)行了整合，我們能夠看到把兩個地點(diǎn)所觀測到的頻譜進(jìn)行了整合，包括在華盛頓和路易斯安那。但是Virgo沒有觀測到，這點(diǎn)很重要，一會兒會說到為什么Virgo沒有觀測到。這次引力波持續(xù)的時間非常長，同時我們還觀測到了伽瑪射線。

考慮到Virgo沒有觀測到這一點(diǎn)，我們在Virgo和LIGO鎖定的區(qū)域進(jìn)一步縮小了范圍，提高了觀測精度。鎖定了銀河系中的NGC4493星系到位置。然后用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡等儀器輔助，幫助我們?nèi)ゴ_認(rèn)了這樣一個位置，看到了非常壯觀的景象。

我們看到的是兩個中子星相撞的景象。天文學(xué)家在之前的時候就研究過如果兩個中子星進(jìn)行碰撞的話會產(chǎn)生什么，他們預(yù)測，會產(chǎn)生不是超新星（Supernova），而是一個有這非常有特點(diǎn)的光芒的新星，叫千新星（kilonova）。它的光非常明亮，一開始是藍(lán)色的，但是很快就會變成紅色，然后變成紅外。這張圖上給大家顯示的就是兩個中子星進(jìn)行碰撞，他們的碰撞可能會產(chǎn)生一個黑洞。然后會產(chǎn)生伽瑪射線，通過望遠(yuǎn)鏡可以觀測到這一點(diǎn)。在之后，通過不同類型的天文設(shè)備，我們了解到更多中子星的信息。他們在碰撞和爆炸的時候產(chǎn)生了巨大的能量。

引力波的成功探測解決了兩個問題。第一，引力波的發(fā)現(xiàn)對全世界來講都是非常了不起的事件。因?yàn)槲覀儥z測到了引力波，所有的天文學(xué)家都開始參與到這方面的研究。之前大家不確定伽瑪射線是否會從中子星的碰撞中產(chǎn)生，但是現(xiàn)在的觀測確定了這一點(diǎn)。另外一點(diǎn)是，我們發(fā)現(xiàn)（kilonova）可能是有些重元素產(chǎn)生的地方。眾所周知，絕大多數(shù)現(xiàn)存的這些元素，包括氦、氫、氮都是產(chǎn)生于最原初的宇宙大爆炸，有一些重元素，產(chǎn)生于超新星。但這中間的元素從哪里來的？目前有很大的空白。人們希望了解像金、箔、鈾等等這些金屬是來自于哪里？這個問題人類思考了很久，但沒有得到一個非常令人滿意的答案，但是現(xiàn)在大家可能有了一個好的答案，它們可能是從中子星的碰撞中產(chǎn)生的重元素。

這意味著，我們可以宣告，引力波天文學(xué)誕生了，我們進(jìn)入到了多信使天文學(xué)的時代。這是人類歷程上非常了不起的一個進(jìn)步。我人生中第一次看到了天文學(xué)家對引力波這個詞持有樂觀態(tài)度。

但是現(xiàn)在我們還知道在日本有KAGRA這樣的設(shè)備，還有LIGO印度這樣的兩個設(shè)備，這也是未來我們能夠進(jìn)行非常重要研究的一些設(shè)備。更多的探測設(shè)備可以讓我們更精準(zhǔn)地定位引力波的來源位置，更好地改善設(shè)備的靈敏度和性噪比。

LIGO印度的加入對天文學(xué)家來說非常重要?？梢钥吹缴蠄D中，前三個是美國的LIGO和歐洲的Virgo探測出引力波時，畫出的藍(lán)色“香蕉”，這是我們估計(jì)的引力波位置的大體范圍?？梢钥吹剑?dāng)印度加入的時候，“香蕉”消失了，可以預(yù)測到的是，有了四臺探測器后，我們對引力波位置的測量精度大大提升了。

未來引力波研究的發(fā)展還有另外一個方向，就是進(jìn)一步的去改善檢測設(shè)備的靈敏性，我知道中國也在進(jìn)行這些研究了，而且和中國的一些朋友進(jìn)行過討論，當(dāng)然發(fā)展一定是一個循序漸進(jìn)的過程。

上圖的這些曲線，第一個曲線是關(guān)于頻率，是在10的二次方和三次方赫茲之間，左側(cè)我們能夠看到的是關(guān)于應(yīng)力的頻譜密度。我們能夠看到在這兒有Virgo探測的情況，有噪音在這兒，這是我們未來應(yīng)該發(fā)現(xiàn)的地方，這也是我們一開始設(shè)計(jì)LIGO的初衷，就是綠色的這條線。這里是未來更加先進(jìn)的Virgo的設(shè)計(jì)，可能在中部是比較相近的，所以在Virgo也是做了很多的貢獻(xiàn)了?，F(xiàn)在我們想的就是如何能夠把設(shè)備做進(jìn)一步的改善。

還有就是我們有一個另外的一個設(shè)備叫Voyager，在Voyager和愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡的概念之間，也是我想給大家的一點(diǎn)建議。如果有人問我中國應(yīng)該在哪個方面參與并有一定的影響力，我覺得可以在這個地方，也就是研制第三代的監(jiān)測器、探測器，我認(rèn)為這可能是一個四公里的系統(tǒng)，這也比較接近我們現(xiàn)在的狀態(tài)。歐洲的想法是在地下有一個三角形的檢測的設(shè)計(jì)，它的靈敏度可能會好一點(diǎn)，而且這個我們能夠看到現(xiàn)有的檢測器的臂長也是將近長寬四公里。我希望未來這些領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，能盡快應(yīng)用到天文學(xué)領(lǐng)域，引力波的前景非常光明。

謝謝。

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