深度解析发现引力波的意义

伤我心太深

发现引力波的意义：在被预言将近百年、苦苦追寻几十年之后，首个位于地球之外13亿光年的引力波源GW150914被人类直接探测到，这是一个值得纪念的伟大时刻，一个新时代的序幕正在拉开——地球人，欢迎你来到引力波时代！

在一波又一波传言后，终于！北京时间2016年2月11日23：40左右，激光干涉引力波天文台（LIGO）负责人、加州理工学院教授David Reitze宣布，人类首次发现了引力波。

1：发布会上究竟揭开了哪些谜团？与之前的传言有何不同吗？

正如发布会所言，在被预言将近百年、苦苦追寻几十年之后，首个位于地球之外13亿光年的引力波源GW150914被人类直接探测到，这是一个值得纪念的伟大时刻，一个新时代的序幕正在拉开——地球人，欢迎你来到引力波时代！

激动人心的发布会结束了，其重点内容可以被简单归纳为三点：

（1）引力波终于被探测到了。

（2）引力波产生于两个恒星量级黑洞的合并（merger）。

（3）引力波是美国的激光干涉引力波天文台（英文简称LIGO）发现的。

接下来，让我们逐个分析和解释一下以上三点，从而对这项具有划时代意义的科学发现做一个稍微深入的了解：

2：天外飘来引力波

人们常说“星辰大海”，如果将时空视作海洋，那么天体就如同海洋生物一般。可以想象，如果大海中的某个生物摇了摇尾巴、或是晃了晃头，海水由此所产生的波动就会向外传播。与此类似，宇宙中某个天体的剧烈活动，会对所在的时空产生扰动，时空自身的波动也会向远处传播，如果足够强，就能够为地球上的我们所感知。

在引力的世界中，我们的宇宙通常是平静的。可是在北京时间2015年9月14日17点50分45秒，地球上的LIGO探测器却探测到了来自于宇宙深处距离地球13亿光年之外的一场引力风暴，来自于一个双黑洞系统的合并，以它的探测日期命名为 GW150914。

LIGO的两个观测站探测到了同一个引力波事件。上面为观测得到的曲线，下面是和理论相比较之后的拟合结果。

此次发布会的另外一个亮点就是双黑洞。这也是人们首次直接发现双黑洞，这两个黑洞的质量分别为26和39太阳质量，属于恒星级黑洞。或许你已经听腻了黑洞，但是这此发现却有些不同，两个天体都是黑洞，互相绕转，最后合并。这听起来像是一场黑吃黑的火拼，甚至有点儿像港片里熟悉的火爆场面。

3：用黑洞做名片

此次引力波事件中，黑洞的质量在合并之前是26个和39个太阳质量，合并之后是62个太阳质量（合并之前的两个黑洞自旋参数值限制的并不是很好），合并后黑洞是一个克尔黑洞，其自旋参数值为0.67。

你或许会有疑问，合并之后怎么少了3个太阳质量，它跑到什么地方去了？引力波也是携带能量的，在黑洞合并之时，它的形状非常不对称，不是我们看到的单个黑洞的球形，所以在振荡恢复的过程当中，一部分质量就通过引力波的方式辐射出去，从而为我们所接收。合并的时间非常之短，仅仅在大约0.05秒的时间，就将3个太阳质量（大约6.0E30公斤）的能量就通过引力波的方式释放出去，也就是说在一秒钟可以释放出大约10^32公斤的能量。

相比较之下，我们的整个宇宙包含了大约1.0E22个太阳，而每个太阳每秒钟向外辐射大约4.0E9公斤的物质能量，所以黑洞合并的最后释放出比整个宇宙每秒钟辐射出的电磁总能量还要高出3倍。

双黑洞系统在不同阶段所产生波形随时间演化图。双黑洞系统的演化包括三个阶段：旋近（inspiral）， 合并（merger）和铃振（ring down）阶段。

我们所看到的所有恒星，都是处于旋转当中。所以对于那些由恒星塌缩而形成的黑洞而言，它们也是处在旋转之中。对于黑洞的旋转，天文学家用一个叫做“自旋参数”的量来表示，它在0和1之间变化——0代表了没有转动的黑洞（也叫“史瓦西黑洞”），而1代表了理论上黑洞所具有的转动最大值（也叫“极端克尔黑洞”）。对于此次观测中合并以后的黑洞，它的自旋参数为0.67。

如果你觉得转速依旧很难理解，那我们可以想象一下《星际穿越》电影的一个情节，主人公在卡刚都亚黑洞的行星上只呆了3个小时，但是后来却发现飞船上已经过了23年，时间相差了6万倍。要有这样巨大的时间差，其中条件就行星极度靠近黑洞的同时，黑洞也以最大速度转动。按照相对论理论所言，这样行星上的时间就会被极大的拉长。对于此次引力波探测到黑洞而言，即使有某个行星在其周围最靠近的稳定存在，那么对于它的时间也会流逝的很慢，不过不会有6万倍那么大的差别，最多也就2倍左右。

4：氢原子的百亿分之一

从预言到探测，物理学家等待引力波的到来已有一百年之久，为什么引力波这么难得一见？主要原因是，相比较其他的几种力（强力，弱力，电磁力），引力是最弱的，相应的引力波效应也就很弱。

引力波是时空的自身变形，在一个方向上被拉伸，在其垂直的另外一个方向上就会被压缩。如果我们有一天，我们被同样的双黑洞系统在合并时所产生的引力波（变化强度为1.0E-21）所击中的话，理论上来说，我们同样会经历一个稍微变高变瘦，然后变胖变矮一些的过程。实际上，对我们身高不超过2米的人类来说，导致的变化大约为2E-21，为一个氢原子的五百亿分之一（一个氢原子的大小大约为1.0E -10米）。

LIGO在1999年建成并且开始运行。但是在进行升级之前（也就是2010年），没有探测到任何确定的引力波事件。从2010年开始，LIGO对探测器进行了第二阶段的升级，2015年6月进行测试运行，2015年9月开始正式运行，第一阶段的科学运行一直持续到2016年1月，升级后的版本被称为Advanced LIGO （简称aLIGO）。

而此次新闻发布会的结果其实就是在刚刚升级完之后，由还在进行测试中的的aLIGO所探测到的。相比较之前，aLIGO的探测灵敏度提高了10倍。而且此次的双黑洞所产生的引力波强度就在仅仅比最初LIGO的灵敏度低一些，所以当LIGO的升级刚刚完成，在试运行的阶段就发现了所报道的双黑洞系统。探测到引力波似乎就在本来的预料当中。

LIGO和aLIGO灵敏度比较（左）；LIGO和aLIGO探测范围比较（右）。

5：谁将撼动时空

那么在我们的星辰大海中，什么样的天体才能够撼动我们的这个宇宙时空，让位于遥远地球上的LIGO探测到呢？现在通常认为有如下四种：

（1）旋进（In-spiral）或者合并的致密星双星系统。比如中子星或者黑洞的双星系统。非常类似于发布会当中的系统。

（2）快速旋转的致密天体。这类天体会通过周期性的引力波辐射损失掉角动量，它的信号的强度会随着非对称的程度增加而增加。可能的候选体包括非对称的中子星之类的。

（3）随机的引力波背景。非常类似于我们通常熟知的宇宙背景辐射，这一类背景引力波，也通常叫做原初引力波，它是早期宇宙暴涨的遗迹。原初引力波的探测将是对暴胀宇宙模型的直接验证，对于它的探测依旧在努力寻找之中。

（4）超新星或者伽马射线暴爆发。恒星爆发时非对称性动力学性质也会产生引力波。而直接探测到来自于这些天体的引力波，将是提供对这些天体最直接而且最内部的信息。

除过LIGO之外，还有意大利的VIRGO引力波探测器，日本的KAGRA探测器以及英国德国的联合GEO-HF探测器。相信在不远的未来，引力波的探测事例会如同春笋般爆发，越来越多。

全球引力波天文台分布

6：为一窥宇宙初生

毫无疑问引力波是对广义相对论的一个最直接的验证。另外它在弱场中已经得到验证，但是对已强引力之下的验证，之前却从来没有验证过。所以此次的观测，是对广义相对论的一个非常好的检验。

引力波以光速传播，它与物质的相互作用非常非常的弱，所以引力波可以给我们提供我们宇宙几乎无阻挡的图景，而这个几乎是无法利用我们熟知的电磁波来达到的。所以引力波是我们了解我们宇宙形成的最好工具。

就如同一个天生的聋哑人，一直在听别人说声音的存在，突然有一天听力恢复了。我想我们此刻的心情也是差不多如此。引力波给我们打开了一扇全新的窗口。引力波是一种方式，是一种看待世界的方式。历史的发现轨迹告诉我们，每一扇新的窗口被打开，都会有令人称奇的发现。虽然LIGO的探测能力还是有限，一旦这个引力波的世界被撬开了一道小的裂缝，让我们看到了春天的种子，相信硕果累累的引力波丰收季节也不会太远。