“引力波研究科学家：引力波究竟是怎么被探测到的，为什么值得我们泪流满面？”

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押:作者@jing ming，少数引力波研究“圈子”的华人科学家之一。 本论文授权作者分发雷锋网，如获授权，请注明出处和作者。

现在是德国时间的年2月11日晚上8点(北京时间的年2月12日凌晨4点左右)。 我刚结束我们那里( aei )的记者招待会回家。 正如评论区所说，ligo主任david来到华盛顿会场时，他说:“是！ 维基百科it！ "的时候，aei会场的许多同事留下了眼泪，其中包括我们所长:

男人很少哭。 那时，我突然感到心潮澎湃，但我忍住没有哭。 那是强烈的感动，感动得想哭。 整个新闻发布会上，我一直在忍耐。

发布会结束后喝了香槟，庆祝了一下。 虽然我还很贱，但是问了几个同事是不是哭了，我很自豪没有流泪。

回到家门口，拿着钥匙开门的时候，那种感觉又来了，很强烈，我颤抖着开门，冲进卧室，我再也忍不住，号啕大哭。

多年没哭过的我，本来在这件事上，我完全没想到会那么有个性和感情。

知乎不久，周末的早晨懒散地躺在床上刷知乎。 我不仅知道后很惊讶，还有点高兴。 没想到国内的人们对“引力波”这个小方向也感兴趣。 作为少数引力波研究“圈子”的中国人之一，我想谈谈这个问题。 据此，我想让更多的人知道这个方向。 因为我之前多次向对这个问题感兴趣的亲戚朋友说明过“我们在做什么”，所以我可以用通俗的、非专业的语言进行说明，结合自己的体验告诉大家。 引力波这门学科的快速发展历史、物理意义、研究现状等。 因为是纯粹的打手，可能需要分几次写，希望大家支持。 (雷锋网有系列更新) ) ) )。

对方特别感兴趣的学生，推荐读kip写的黑洞和时空歪(有中文翻译)这本书。 写得非常好，很容易理解。 公开我和kip thorne三个月前的一张照片:

1915年，爱因斯坦的广义相对论提出后，这个记述“时空和物质”理论在很多地方得到了实验验证。 人们在确凿的实验证据下，一次又一次地惊讶于这个伟大理论的深度和正确性。 这是因为，“啊~你们说这个世界和这个宇宙这个那个，很不可思议吧！ 和我感受到的感觉完全不同啊。 你们一定在胡说八道，我完全不相信！ ’然后，广义相对论经过全方位的实验，人们的心情开始慢慢改变，开始慢慢接受这个事实。 我们的世界和我们想象的不一样。 人们本来就体会到这个世界比我们想象的要深得多。

感兴趣的学生可以这样看。 的广义相对论验证:广义相对论的实验验证

广义相对论的正确性已经毋庸置疑，但作为广义相对论重要预言之一的引力波，却迟迟未被发现。 把广义相对论作为人类科学圣经的科学家们燃起了大火。 他们相信引力波一定存在，为了探测引力波，几代科学家做了很多尝试和努力(这将在后面的章节中论述)。 那么，这个神秘的引力波，到底是什么呢？

用最简单的语言来说明，引力波是“时空的涟漪”。 听起来有点含糊，但什么是“时空的涟漪”？ 让我们慢慢地说:

我相信很多同学对广义相对论不太了解。 来吧，别慌~在这里你只需要几分钟就“学好”广义相对论，并且有理论武装，你就可以很容易地了解正文中的很多事件。

要理解广义相对论，你必须知道两个词。 我相信大家都听说过第一句话。

1、空之间有三维+时间的一维，因此此时空为四维。 时空在时间加空之间是一体的。

例如，你在一个时候空。 因为，现在(时间)，你一定在某个地方(/(/k0 ) /之间读过这句话。 同样，人们的宇宙也在时间加空之间，所以宇宙是四维时空。

第二句话真了不起。 如果大家看到了，我就会明白广义相对论在说什么！

2、教时空物质的动作方法； 教物质的时候空怎么弯曲呢

空间毫米卫星移动器； mattertellsspacetimehowtocurve

嗯，很简单吧。 “”广义相对论是指，时间/“/ K0 /”如何作用于物质，以及物质如何弯曲时间/“/ K0 /”的理论。 这样，物质(有质量的东西，可能是能量。 因为能量也有质量，)如何在那个时候/(/k0/)工作，取决于那个时候/(/k0/)的性质。 另一方面，物质存在时/如果有空就会弯曲。 弯曲程度、如何弯曲，取决于肚子中物质质量的大小和分布。

你看，其实不用在意什么棘手的数学公式，我们也能从根本上理解这个“深刻”理论，对吧？ 是的，因为理解了相对论，所以可以很容易地理解引力波了。 ^^

让我们先来看图:

两个黑色的东西是黑洞，黑洞是质量很大的天体。 由于质量很大，“物质教的时候空怎么弯”，他周围的时候空一定会弯得很厉害吧。 时空不转弯时就像平静的湖水一样。 轻轻地把球放在上面，球下面的水面呈弧形吧。 这和黑洞存在，在附近的时候空会弯曲是同样的理由。 水面上只有球停着，水面还很平静。 但是，如果两个球像图中的两个黑洞一样相互环绕运动的话，就麻烦了。 波纹水平扩大。

同志们！ 如果水面是时空，那么水波就是引力波！ 请不要将引力波理解为引力波。 引力波的本质是时空的涟漪，是时空的波动。 你肿了吗？ 你不觉得一下子加深了很多吗？ 我以为越深，越平易近人，越容易理解。

细心的同学可能已经看到了引力波发生的前提是什么。 是的，物质的运动。 物质量越大，运动越激烈，此时对空的干扰越大，引力波越强。

黑洞是多少质量的天体？ 这两个大男人在跳探戈。 时空不被他们搅和就奇怪了。

那你怎么没检测到引力波？

你仔细听着，听着我们一无是处，但我有点不满。 皇帝，不能做小妾啊。

注:本节可能对的其他学科的知识略有接触，如果表达不正确，请指出。

引力波界的大佬之一bernard schutz几个月前退休了。 四年前，他在北京大学做学术报告时，花了几十亿美元寻找引力波，但还没有找到。 有时，我在晚上破碎地想。 我怎么才能和妻子睡在自己的床上呢？ tm应该在监狱里睡觉哦。

听着大老板的话，当时在这里的很多人包括我在内都笑了，但大部分都把他的话当成笑话。 但是，后来自己进入这个研究行业，成为他团队下的一员之后，才真正明白了引力波探测的难度。 善良的科学家们，花了纳税人很多钱去寻找引力波，半个世纪过去了，我们依然“一无所获”，所以有点愧疚也是情有可原的。

引力波探测对于物理来说，对于加深对这个宇宙的起源、这个时候空的本质的理解是非常重要的。 的目的可能是验证或否定相对论的正确性，但他的物理意义远远超过这一点。 将来引力波探测带来的新发现，可以说轻拿20位诺贝尔也不为过。 后面的章节具体说明引力波在物理全方位上有什么意义，为什么我们要花几十亿美元(几百亿美元)来研究、检测和我们生活似乎没什么关系的东西。 但是，在这一节中，我想从别的角度谈谈那个的意思。 我想说激动人心的话。 这是你和我都参加的故事。 这是我们这一代也值得自豪的故事。

嗯，引力波的意义这个事件，我想还是必须从138亿年前说起。 请大家搬小马慢慢听我说。

138亿年前，那块体积有限，可以想象成网球的大小。 密度温度极高的“东西”爆炸了。 这是宇宙有史以来最重要的事件。 在这次爆炸中，不仅是你和我，时间和空之间也发生了。 在大爆炸的瞬间，宇宙诞生了。

大爆炸之后的宇宙还是一片漆黑。 随着宇宙变大，温度迅速下降，38万年后，温度终于降低到一定程度，光子开始解耦。 宇宙的第一道光诞生了！ 宇宙最初的光是宇宙微波背景辐射( cmb )，这个发现又是另一个可以笑的故事，所以在这里不展开。

宇宙的进化宇宙的进化

宇宙微波背景辐射，你看到的是宇宙最初的一缕光，它来自138亿年前，或者138亿光年之外。 宇宙微波背景辐射，你看到的是宇宙最初的一缕光，它来自138亿年前，或者138亿光年之外。

“等等”，听众不满了。 “我是来听引力波的，你扯了什么cmb？ ’各位，请不要着急。 宇宙中的任何故事都是环形的，彼此相连。 来吧，接下来就穿越到时间空吧。 从遥远的138亿年前来到了五亿多年前的地球。 那个时候的地球很热闹，古生物专业的同学对此很熟悉吧。 那时被称为寒武纪，距今约5亿2000万年前，2000多万年间大陆的地球上突然出现了各种动物，它们不期而至地起源迅速，存在着多种动物并繁荣起来。 寒武纪生命大爆发是古生物学和地质学上的一大悬案，为什么生物物种会集体出现或爆发还没有统一的解释。 总之，那个时候生物在疯狂地进化，不适应环境的东西会迅速被淘汰，更强的生物会取代。 在这期间，一些生物的眼睛进化了。 让我们隆重登场这一节的主角奇虾酱！

奇虾(坛紫菜)奇虾)坛紫菜) )。

肿胀怎么样？ 虾q不是很萌吗？ 请不要被可爱的外面的人骗了哦。 体长达到了2米，非常凶猛。

引用自百度百科:

有带柄的巨大眼睛，为了快速捕捉猎物而分节的巨大前肢，美丽的尾巴扇，长尾巴叉。 虽然我不擅长走路，但是能游得很快。 直径2.5厘米的巨大嘴巴可以捕食当时任何大型生物，嘴里有环状排列的外齿，对矿化有外甲保护的动物构成了严重威胁。 这是一种攻击能力很强的肉食动物，个人最多可以达到2米以上，但当时其他大部分动物平均只有几厘米到几厘米。

虾作为当时的海洋霸主，可以统治海洋几千年。 除了他强壮的身体之外，多亏了他头上的黑色大眼睛。 到了寒武纪之后，眼睛开始进化。 很多生物没有眼睛啊(也许只有感光细胞)。 即使有眼睛，由于进化不充分，视力模糊，只能隐约看到环境物体的轮廓，所以要知道，有些生物即使捕食者靠近也完全没有反应。 虾作为成功的捕食者，在这场“雷达军备竞赛”中一直处于领先地位。 它对于当时的大部分生物，最先进化，真的可以看到东西的眼睛了。

眼睛的迅速发展本身是一个多种多样的课题，最初的哪个感光细胞开始进化，逐渐形成现代生物一样的眼睛。 我们暂且把小虾作为第一个拥有“多而复杂”眼睛的生物。

让我计算一下:

138亿年前:第一道光在45亿年前:地球诞生36亿年前:地球生命诞生5亿3000万年前:有眼睛的虾终于可以看到100亿年的光存在

那个时代的生物，从某个角度来说，值得骄傲！ 他们作为第一个地球生物，看到了温暖明亮的光！ 从那以后，视觉成为了许多生物，包括人类最重要的感觉之一。

好了，回归物理吧。 时间空，回到引力波上吧。 其实，我在生活中多次被问。 你们检测到这个引力波有什么用呢？ 我每次都能回答得很好。 即使对方是完全基于物理零基础的文科妹子，有时我也不会用物理，所以我来说说这个虾。

引力波从粒子的角度理解的是引力子，和光子的理解方法类似。 但是，与光子在宇宙38万年后出生不同，引力子在宇宙大爆炸之后仅0.0000....0001 (中的35个0 ) )秒钟就先退了，存在于这个宇宙中。 这也被称为原初引力波。

在之后的100多亿年里，不仅任何原初引力波，宇宙中的任何物体只要运动都会发射引力波。 两个黑洞的舞会释放引力波。 超新星爆炸会释放引力波。 月亮绕着地球转时会释放引力波。 悟空挥动金棒也会释放引力波。 当你在路上和心中的妹妹擦肩而过的时候，不仅仅是你的心跳，你，还在释放着你的引力波。

啊，是的。 引力波是另一种光。 这个“光”的本质是时空的波动，但是也可以理解为电磁波(光)以外的一种令光。

神说:“有光。

在那里，虾在133亿年后看到了最初的光。

138亿年后

今天，或者不久，我们就会看到第二道光！

这是继奇虾同志之后五亿年来最重要的时代！

这个“快”了多久？ 业界认为引力波将在4年内被探测到。 同学们啊，才四年。 其实即使在预想的4年内检测不到，那个引力波被检测出来也是这个时代会发生的事件。 作为碰巧出生在这个时代的所有身体，应该为这个时代感到自豪，为人类感到自豪，为地球的生命感到自豪。 我可以自豪地宣布，这个时代的地球人类代表着地球的生命，我们不再失明，我们看到了，我们看到了它的第二束光。

这里想说一句，小时候很喜欢看圣斗士。 小学的时候，经常会觉得里面有什么小宇宙的第六感什么的很兴奋。 是的，一旦检测到引力波，人类就会有真正的第六感，此时空拥有感知涟漪的能力。 从科学上讲，人类的这种第六感，无疑是人类的“天眼”，可以窥探到许多我们以前看不到的东西，比如大爆炸后38万年前的宇宙，比如黑洞的合并。 有了这个天眼，你就会看到宇宙的许多神秘！

为什么业界认为在4年内检测到？

关于这一点将在后面的章节中具体说明，这里简单介绍一下为什么。

我说2019年可以检测到的是引力波的主要探测器ligo近年来可以完成升级，完成升级的ligo具有更高的灵敏度，结合天体物理的各种模型和数据，检测引力波几十次每年都会增加。 如果引力波还没有被探测到，那不是广义相对论有问题，而是天体物理的很多理论有问题。 当然，也许是我们的工作没做好。 )另外，我想提到bicep2，实际上也可以预想到bicep2的结果会被普朗克数据否定。 但是，即使bicep的结果被后来的普朗克数据证实，也不能说检测到了引力波，而只是引力波存在的间接证据。 直接检测引力波的是以ligo为首的几种大型引力波检测激光干涉仪。

为什么检测引力波这么难？

——引力波给地球带来了黑洞融合的交响曲，物理学家设计了寻找哪个波浪，倾听他们的音乐。

照片:蟹星云中子星。 我们相距6500光年，每秒自转30.3次，发射出强大的x射线、伽马光和引力波。

一切看起来都这么美。 是啊。 多么简单啊！ 如果广义相对论说他存在，那么努力制造设备寻找不就完了吗？ 但不幸的是，我们的宇宙中有非常快的和非常小的。

滴，快的是光速，3亿米每秒； 小的是万有引力常数6.674e-11牛每平方米1公斤。

我把这两个数列做如下:

c=30000000(8个零) g = 0.000000000667；11个零) ) ) ) ) ) ) ) ) ) )。

霍金在时间简史中开玩笑说，如果在科普书中加入公式，销售额将减半。 同样的，我也很不喜欢科普文案中出现公式。 如果我写下一个公式的话，好的也能减半吗？

文科的人请不要惊讶于这个公式。 简单的是乘除法。 请放心听。 我很明白。

H0=40×G×I×F^2×E/(C^4*D ( ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) )而言之，但也就是说，这并不是他们的原因

引力波强度=(40×万有引力常数×惯性矩×频率的平方×椭圆率)除以光速的4次方×距离)

由于这两个数( c和g )，引力波的检测没有那么困难。

首先，简单分解里面各量的数值。

I :惯性力矩。 这基本上与物体的重量和形状有关。 简单地说，质量越大的物体，惯性矩越大。 例如中子星有1.4个太阳质量。 他的转动惯量约为1e38这么大的数。 ( )因为中子星的转动惯量很大，所以它可以成为很好的引力波源，而不是做呼啦圈的你。

f :频率。 中子星旋转得越快，引力波就越强。 但是，我们知道的中子星转速最快每秒1000次。 所以我们在这上面又赚了六个0！

e :椭圆率。 中子星并不是绝对完美的球体。 如果绝对完美的话，按时间空旋转没有干扰，也不会发射引力波。 他的椭圆率被认为大致是1e-6。 是的，我们在这个参数上失去了6个0。

d :距离。 这太麻烦了。 我们知道宇宙其实空很广，恒星间距离是用光年计算的。 假设那颗中子星离我们有1000光年远。 那么是1e19米。 这次吃了不少亏，幸好有之前的38个0。

各位，别忘了。 我还没有计算万恶的c和g。 关键的这个c还是四次方。 引力波的强度现在是几个0？ 1+38+6-6-19-11 (重力常数(-8×4 )光速) =……- 23。

老天，这个角色惨败了！ 即使使用像中子星这样完美的天体引力波源，我们寻找的引力波强度也只有0.0000000000000000000000000001 ( 1e-23 )。

这个引力波强度的影响，相当于1公里的长度发生了1e-19米的变化

这是什么概念？

最小原子氢原子的半径: 1e-10m其原子核半径: 1e-15m。

现在，他自然告诉我，如果想看到引力波，就需要在1公里长的距离内找到原子核半径不到1万倍的空之间的变化。 这不是开玩笑吗？

可以想象引力波科学家发现引力波是如此微弱的量时，内心是多么绝望。 甚至在广义相对论提出的二三十年间，谁也不敢找这么小的量。

所以，不要进行拉伸精密机床、分子结合等“高精度”的实验和设备。 确实，在这个世界上，空之间尺度最精密的实验是引力波探测。 这是自然迄今为止给人类带来最高难度的挑战，曾经被认为是人类现有技术无法企及的挑战。 想要刺激小宇宙获得第六感，自然要求我们的是你先完成超神的动作。

如果人类能检测到引力波的话，我想用我最喜欢的电影之一“致命魔术”的台词来表达我们的心情:

引力波探测有多难？ 不容易，不容易。 引力波探测是世界性的大工程，是集合和人类物理、工程、数学、计算机方面最先进的理论、技术、智慧。 人类在其4公里长中小于原子核尺度时空为了检测波纹所能做的事。 关于勘探有多辛苦，以后再更新。

引力波的存在性，在广义相对论提出后，在20世纪40年代受到了许多物理学家的质疑。 虽然疑惑渐渐消失，但大部分物理学家认为引力波如此微弱无法探测。 第一个将直接探测引力波作为伟大尝试的人是约瑟夫·韦伯( joseph weber )。 20世纪50年代，他首次有远见地认识到，探测引力波不是不可能的。 从1957年到1959年，韦伯埋头于引力波探测方案的设计。 结果，韦伯选择了长2米、直径0.5m、重约1吨的圆柱状铝棒，其侧面指向引力波到来的方向。 这种类型的检测器在业界被称为共振棒检测器(下图)。

照片:韦伯和他设计的共振棒探测器。 引力波使铝棒的两端振动，压迫表面的晶片，产生可测量的电压。

引力波到来时，铝棒的两端交替拉伸，引力波的频率和铝棒的设计频率一致时，铝棒发生共振。 贴在铝棒表面的芯片会产生相应的电压信号。 共振棒探测器有明显的局限性。 例如，他的共振频率很明确。 虽然可以通过改变共振棒的长度来调整共振频率。 但是，同样的检测器只能检测对应频率的引力波信号，如果引力波信号的频率不一致，那检测器就无能为力了。 另外，共振棒检测器有引力波发生时空失真的严重极限。 探测器越长，引力波作用于其长度引起的变化量就越大。 韦伯的共振辅助检测器只有2m，强度1e-23的引力波这个长度的变化量太小了，对于20世纪50年代到60年代的物理学家来说，确实很难检测到这样小的长度的变化。 虽然共振棒探测器最后没能找到引力波，但韦伯是引力波实验科学的先驱，他之后，许多年轻而有才华的物理学家投身引力波实验科学。

在韦伯设计建造谐振棒的时期，一些物理学家认识到了谐振棒的局限性，基于迈克尔逊干涉仪原理的引力波探测方案在那个时代被提出。 到了20世纪70年代，mit的内伯斯和马里布休斯研究所的瓦德分别建造了引力波激光干涉仪。 到了20世纪70年代，这些干涉仪成为了共振棒探测器的重要替代者。

照片:引力波激光干涉仪的工作原理

引力波激光干涉仪的基本思想是: 四个测试质量悬挂在天花板上，由激光发出单色、频率稳定的激光，在分光器中被分为强度相等的两个光束，一个由分光器反射，成为干涉仪的y形臂 经过同样的时间后，两束光回来，在分光器再次相遇，发生干涉。

通过调整x、y机械臂的长度，可以控制两个光被取消。 此时，光电二极管没有光信号。 引力波从垂直于天花板的方向进入后，双臂中的一只手臂伸长，另一只手臂被压缩得很短，从而改变了两光的光路差，破坏了原本被相干消除的条件，一定数量的光进入探测器，得到引力波信号。 激光干涉仪对共振棒的特征非常明显。 首先，激光干涉仪能够检测一定范围的频率的引力波信号通常为( 20hz-3000hz )； 其次，激光干涉仪的手臂长度可以加长。 例如，地面引力波干涉仪的手臂长度通常为千米级，远远超过共振棒的米。

从20世纪90年代开始，世界各地开始建设大型激光干涉仪引力波探测器，引力波探测的黄金时代开始了。 这些引力波探测器包括位于美国路易斯安那州利文斯顿的手臂长4 km的LIGO(L1 )； 美国华盛顿州汉福德的手臂长4千米的Ligo(H1 )； 位于意大利比萨附近，手臂长3千米的virgo； 德国汉诺威是手臂长600米的geo，日本东京国立天文台是手臂长300米的tama300。 这些探测器从2002年开始在年间共同进行了观测，但没有检测到引力波。 经过巨大的改造升级，两个高级ligo探测器从2007年开始作为灵敏度大幅提高的高级探测器互联网的先驱进行观测。 另外，欧洲的空间引力波项目elisa和日本的地下干涉仪kagra的开发和建设也在稳步进行。

照片:美国路易斯安那州利文斯顿附近的臂长4km的激光干涉仪引力波探测器ligo(L1 ) )。

左边的照片是美国华盛顿州汉福德附近的手臂长4千米的激光干涉仪引力波探测器ligo(H1 )，右边的照片是意大利比萨附近，意大利和法国共同建造的手臂长3千米的激光干涉仪引力波探测器virgo

照片:日本地下干涉仪kagra内部位于山顶下方1000米处。 地下的岩壁被防水布复盖着。 因为水太多了。 当时，一个日本人在国际学术会议上做的报告简直是萌萌哒。 今天这里水很多。 我擦，明天那里冒出一条小河，我把它埋了……感觉他的整个博士课程都拖在地上。 ps :后面的左一是我。

引力波探测器的成本高达数亿美元，非常昂贵。 很多同学会问，为什么我们要花这么多钱在全世界建造这么多探测器？ 这是个很好的问题！

综上所述，引力波的强度非常弱，我们的探测器必须做得非常敏锐。 敏锐到什么程度？ 在这里告诉大家真相八卦。 据我在geo600工作的同事说，德国汉诺威的geo600经常受到周期性信号，随后分析了遥远的大西洋浪潮对北欧大陆的影响。

各位，如果卡车从某个探测器旁边经过，我们怎么知道测量的是真正的引力波信号还是噪声呢？

最简单有效的处理方法是...

结成夫妇……。

理由很简单，引力波通过地球时，会影响所有的探测器。 如果卡车经过，海浪来了，或者有人在旁边放鞭炮，一个参照器只会产生噪音。 通过建立引力波探测器互联网，不仅可以比较有效地识别伪信号，还可以更准确地测量引力波天体源的位置，分解引力波天体源的结构和性质。 [/s2/]

照片:分布在世界各地的引力波探测器互联网

来源：UI科技日报