引力波的发现，相对论的最后一个预测被证实。

kaleege

广义相对论的预测，光被弯曲，时钟变慢，等等现象早已经观察到了。

引力波的理论预测早就有了，但是由于非常微弱，很难观察到。这次新闻宣布位于华盛顿州和路易斯安那州的两个观测站都观测到了引力波，相对论的最后一个预测被证实。

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作者：刘博洋
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来源：知乎

本答案的第一个版本是复制粘贴了我的专栏文章：记一个大新闻的出炉——对，说的就是引力波的发现，这篇文章讲了2月11日新闻发布会之前4个多月的时间里，“LIGO发现引力波”的消息是怎么不胫而走、传的轰轰烈烈的。请不了解故事背景的同学，先看看这篇。

而今天我想谈的是——

零、LIGO新闻发布会说了些什么？

We have detected gravitational waves. We did it.

“我们探测到了引力波。我们做到了。”

细节：

1、这次发现的引力波事件发生于2015年9月14日9:50:45 UTC——记得我之前的专栏文章里怎么说的吗？

2015年9月18日，历经5年的升级改造，LIGO升级成为拥有十倍于原型灵敏度的“Advanced LIGO”并正式开始观测。仅仅一个星期之后，宇宙学家Lawrence Krauss就在推特上放出消息称“有传言（rumour）称LIGO测到了引力波。要是真的就碉堡了。消息确认后会更新细节。”

所以，在所谓“正式开始观测”前4天，LIGO就已经探测到了引力波！！！

至于这段话，

这次早产的流言很快遭到了官方压制——LIGO发表声明，他们会在信号中人为添加一些假信号，用来测试工作人员是否能正确提取信号。而由于除了极个别高管以外没人知道，这样的假信号会被基层工作人员误以为是真实的引力波事件。这种说法也许是真的，也许只是LIGO在泄密事件发生时的危机公关。

没错。LIGO团队新闻发言人Gabriela González在发布会上，回答的第一个问题，就是Nature杂志记者问的，关于在正式开始观测之前（试观测）就已经探测到引力波这件事。González终于没啥心理负担的表示“Not an injection”——“人为添加信号”一说，确实是LIGO浑水摸鱼的危机公关之辞。


2、36+29=62+3，5.1 sigma

此前泄露的数字没错！（一个36太阳质量的黑洞和一个29太阳质量的黑洞并合为质量62太阳质量的黑洞，损失的3个太阳质量的能量以引力波释放了出来。信号的置信度达5.1 sigma，也就是有99.99998%的把握认为没看错，达到了“发现”的标准。）

现在，我终于可以大喇喇的把文章里的图贴出来了——在发布会之前一个多小时，一份从高能所流传出来的paper瞬间传遍了所有关心这件事的人。几分钟之内三四个不同渠道的人一起扔出了这篇文章共享，全都加一句“别外传……”。偷食之酸爽！

（分居美国西北和东南两角的LIGO的两个观测站，Hanford观测站和Livingston观测站测得的结果。上面是振幅随时间变化的波形，下面是频率随时间增长的情况。）

（两个站的结果对比——在信噪比比较好的地方，几乎完全一致！）


3、引力波源的光度距离大约是410 Mpc，也就是红移~0.09处，13亿光年之外。
银河系的直径仅仅是十万光年。到仙女星系的距离仅仅是250万光年。

13亿年前，当地球上仅有蓝藻辛勤的制造着氧气，为接下来漫长岁月里生命的繁荣做着准备的时候，两个算不上太大的黑洞与彼此融合——这融合激起的涟漪跨越13亿光年的无数星系团、气体、尘埃、恒星，扫过地球，引起相当于一个质子直径千分之一的微小变化——居然还就被蓝藻的后代发现了……（误：其实人类不是蓝藻的后代……否则都成了植物人……）

引力波源的方向位于南半球大麦哲伦云附近。但是因为现在LIGO只有美国这两个站，定位定的不准，只能画出这么个长条形的概率分布。等以后欧洲的VIRGO，甚至日本的KAGRA、印度的LIGO-India都上马之后，对引力波源方向的定位会有极大的改善。

4、两个黑洞合并瞬间，把3个太阳质量转化成了能量，以引力波的形式发射了出去。这个功率大约是可观测宇宙所有恒星功率之和的50倍！

（在并合之前，两个黑洞之间的相对速度达到了将近0.6倍光速——对宏观物体来说，这相当夸张了。）

5、这次引力波事件的引力波振幅峰值是~10^-21，改造之前的LIGO，所谓“initial-LIGO”，其实也能勉强够得着这个灵敏度。但是光够得着峰值是不够的，要辨认出波形特征，需要能看到更暗的地方。这就是为什么改造前的LIGO用了十年时间一无所获，而改造之后灵敏度提升了10倍的advanced-LIGO，一开机就看到了想要找的东西。

但是注意，未来3年中，LIGO还会继续本轮的改造，其灵敏度还会有3倍的增长！迎接未来的更多引力波事件吧！


上图是LIGO发表的论文的“展望”章节。文中说“第一个观测季内的完整结果将在未来继续发表”。根据可靠线报，这个“完整结果”的意思是——在过去的四个月中，LIGO发现了不止这一例引力波事件！没错，在新闻发布会召开之前，引力波天文学的时代已经悄然拉开了序幕。


6、有趣的是，这次的发现是美国的LIGO做出的，而LIGO的欧洲伙伴，拥有一架稍小的激光干涉引力波天文台的VIRGO团队，也在同一时间召开了新闻发布会。美国的新闻发布会是美国国家自然基金委员会（NSF）的一名官员主持的，开场后先照例“感谢国家”、感谢国会、感谢纳税人了半天。所以一度VIRGO这边发布会的进程要比LIGO这边更快。

当然，平心而论，就这种事上，我们确实感谢美帝国主义及其纳税人。
当然，我们也希望有朝一日，世界可以因为这样的事情，感谢我们。

7、发布会上有一句话让我很感动：

这就是科学，我们不挑容易的事做。

一、引力波到底能告诉我们什么？

引力波的发现验证了广义相对论最后一个未被实验直接检测的预言，但引力波带来的认知革命绝不止步于此。引力波为我们打开了除电磁辐射（光学、红外、射电、X射线等）、粒子（中微子、宇宙线）之外，一个全新的窗口——我们从未能够以这样的方式观察宇宙。在引力波这个新窗口中，我们不再是以电磁场、物质粒子作为观察宇宙的凭借——我们感受的，是时空本身的颤动！因为引力波是一个bling~bling~闪闪发亮的崭新窗口，我们得以看到（或可能将会看到）很多以前极难观测的天体和现象。

引力波将会告诉我们：

1、黑洞是不是真的存在？

LIGO的直接探测到的第一例引力波事件（据说）来自两个恒星质量黑洞的并合。两个黑洞并合前，会在与彼此的绕转中搅动周围的时空，向四周散发出涟漪般的引力波。这些引力波带走了一部分双黑洞系统的引力势能，让两个黑洞越绕越近、越近越快。而两个黑洞最终并合之后，融合成的大黑洞会经过几下“摇摆”，才会融成完美的球形。所以今天发布的引力波事件的波形大体如下图所示：


在第一个阶段“旋进”时，引力波的周期越来越短（频率越来越高），振幅越来越大；到第二个阶段“并合”时，频率和振幅都达到极值；在并合之后的“衰荡”阶段，振幅急剧减小到零。这样的波形非常有特点——如果做成人耳能听到的音频，就像是旋转着冒出水面并破碎的气泡一样，非常有意思。（音频链接）

正是因为这种波形的振幅、频率变化非常有特点，让LIGO团队得以把这一类波形在各种具体参数组合下的不同形状做成模板库，用于和LIGO实际收集到的信号做匹配。所以LIGO才能够顺利的找到这次的引力波事件。

于是乎，既然探测到了两个黑洞并合的事件，我们自然知道——黑洞是存在的！

你说，我们不是早就知道黑洞存在了么？

其实不完全是……实际上我们虽然已经观测到海量的天体物理现象，是可以用黑洞的存在予以完美解释的，比如绕银心旋转的恒星的轨道表明，它们所围绕的，是一个在很小尺度内拥有巨大质量的天体——但是这不一定是个黑洞呀……（虽然我们并不相信会是别的什么东西）


“非凡的预言需要非凡的证据”。黑洞是天文学家、物理学家的绝好玩具，好到他们不敢轻易相信它的存在。由双黑洞并合产生的引力波的发现，给出了黑洞确实存在的空前牢靠的证据。

注：其实思路上，还是只能通过观测数据限制绕转天体的质量和轨道半径。但是银河系中心天体周围的恒星轨道给出的限制在万公里量级（该量级具体数字我还在查证，但肯定大于万公里，而且我想可能大于亿公里量级），而引力波观测给出的限制在史瓦西半径量级，也就是百公里量级。我们得以把对致密天体的半径的限制提升好多个数量级。如果说几亿公里内还有可能有一些别的奇怪的中心天体存在的话，几百公里内，真的只有黑洞这一个选项了。

2、引力波是以光速传播吗？

有波就有对应的粒子。引力波对应假想的引力子。如果引力子像光子一样，没有质量，那也应该以光速传播，这是经典的广义相对论的预言。但是也有人表示，如果引力子有一点质量，也许有助于解释宇宙加速膨胀。而如果引力子有质量的话，它就会以低于光速前进。这样如果我们能分别观测到一次高能事件产生的电磁辐射和引力波，看看它们到达地球有没有时间差，就能知道引力波是否在光子之后抵达地球，也就是引力波是否以光速传播。

是，则再次捍卫老爱；不是，更是动摇物理大厦基础的重要发现。


实际上就在引力波大新闻的论文发表的同一期PRL上，就有另一篇文章讨论引力波的速度。这篇文章通过对我们发现的第一对双脉冲星（Hulse-Taylor脉冲星）的观测，把引力波的速度与光速的差别限制在0.01以下。

对了，这对脉冲星也是Hulse、Taylor两位前辈天文学家首次间接验证引力波所使用的源呢！PRL这显然是故意的^ ^
（Hulse-Taylor脉冲星轨道周期的变化，符合因辐射引力波损失能量而导致周期变短的广义相对论预言。这两位仁兄也因此获得1993年诺贝尔物理学奖。）


3、宇宙弦存在吗？

有理论认为，宇宙早期相变过程中，可能产生极细却具有宇宙学尺度的长度的“宇宙弦”。


这些宇宙弦就像耳机线，总有一天会自己打成结。当它们打结时，结点会发生断裂，并以引力波的形式释放出能量。


这种现象，如果真的存在，引力波是其释放能量的主要机制。

（宇宙弦打结的时候释放出的引力波波形模拟）

有些脑洞大的物理学家猜，也许宇宙弦的打结能够产生封闭类时曲线——通俗的讲也就是可以实现时间旅行——这确实是我们期待能探测宇宙弦的一个好理由。当然，应该注意到，过去一二十年中，COBE、WMAP等宇宙微波背景辐射（CMB）探测卫星并没有找到宇宙弦对CMB留下什么痕迹，也就是说即使宇宙弦真的存在，也不会有特别主要的作用。今天Kip Thorne在回应记者提问时，也表示，引力波会有助于我们加深对时空弯曲的理解，但要说时间旅行，还太太太早了点。

4、中子星上有山吗？

中子星是大质量恒星死亡时，核心残留的致密天体。它们的大小跟北京二环差不多，质量却可达两个太阳质量。这么致密的天体，表面重力加速度非常大，以至于任何一点凹凸不平，都应当会被重力差破坏掉。所以理论上，中子星应该是完美的球形。

不过有天文学家相信，也许中子星上也是有“山”的——海拔几毫米的崇山峻岭。这些“山”的存在，让中子星有了微小的不对称瑕疵，这样的瑕疵像一个小小的伤口，会使高速自转的中子星通过引力波不断损失能量。

而我们，可以通过监听中子星发出的引力波，来推测其上山峦起伏的情状。这给我们提供了一种新的探索中子星极致密物态性质的方法。

5、恒星怎么就爆了？

大质量恒星生命终点的时候，可能在一场剧烈的超新星爆炸之后塌缩为黑洞或中子星。但我们现在还不知道，超新星具体是如何点燃的。监听超新星爆炸时的引力波波形，与电磁波段的观测进行对比，可以给我们提供检验现有模型的更多依据。

6、宇宙膨胀的多快？

现在我们测量宇宙膨胀速度，使用的是Ia型超新星作为“标准烛光”——因为发现宇宙加速膨胀而获得诺贝尔奖的哪几个大哥，都是靠观测Ia型超新星拿奖的。

不过要是Ia型超新星不够准确，可就麻烦了。好在引力波能给我们提供一个独立的“标准烛光”：通过测量引力波事件的强度，我们能推算出引力波源的距离。如果我们能在电磁波段上找到引力波源所在的星系，就能比较该星系的红移与引力波源距离之间的关系——这样我们就又多了一种测量宇宙膨胀速度的方法。


本段主要参考、编译自2月9日Davide Castelvecchi在Nature新闻栏目上发表的短文《Gravitational waves: 6 cosmic questions they can tackle》。

二、为什么是LIGO做出了这项发现？

1、引力波探测器的分类
爱因斯坦同志1916年就提出引力波这茬了，到六十年代左右，就有人开始琢磨怎么探测引力波。最早的引力波探测器长这样：


一个大铝筒。基本原理是，如果引力波的频率跟铝筒的共振频率一致，会引起它的显著收缩-拉伸。旁边的人叫Joe Weber，公认的引力波探索先驱。他曾在1969年宣布，用这台机器测到了引力波。

但是同行重复他的实验，没有一个能重现这一结果的。所以大家认为他搞错了。

这次测到的引力波的振幅是10^-21。很明显，用越大的数字去乘这个10^-21，会得到一个越大的结果。这个铝筒这么小，显然得不到什么结果。要知道LIGO的臂长就有4 km，内部更是让光路反射了400次，激光光路长度达到1600km，这么大的数去乘那个10^-21，才勉强得到一个大约跟质子半径一个量级的变化。所以这种几十年前的棒状引力波探测器，显然不可能有什么结果。

后来人们发展出了激光干涉仪为原理的探测器。代表就是美国的LIGO和欧洲的VIRGO。


基本原理是，把引力波扫过导致的长度变化，转变为激光干涉结果的光强变化。“干涉”几乎是精密测量的“作弊器”，不用什么别的工具，我们能通过手机贴膜贴合不均匀处的干涉条纹，直观看出贴合间距的微小变化。LIGO也能通过测量两束相干红外激光的干涉光强，判断激光臂长的极微弱变化。

同样的原理，放到天上，能得到更长的臂长：长达数万公里。这样引力波导致的变化将更加明显。所以美欧提出了LISA计划，中国也提出了天琴计划，都是打算发射空间卫星，组成干涉仪网络，进行长距离的干涉测量。

更长的臂长——就只能靠天上本来就有的东西了：脉冲星、微波背景辐射。脉冲星的周期会受到经过的引力波的扰动，而微波背景辐射里，据信留有宇宙大爆炸时原初背景辐射的印迹。它们也可以用于示踪引力波。

波速不变的话，波长与频率成反比。臂长越长，对越长的波长更敏感，也就是对更低的频率更敏感。所以LIGO、LISA、脉冲星、微波背景辐射，它们分别示踪一系列不同频率的引力波信号，彼此互为补充，不能相互替代。

其中，LIGO这种几公里基线的激光干涉仪，对频率~100的信号最敏感——这正是双黑洞、双中子星等双致密天体并合前的一瞬发出的引力波的频率。我们前面说过，这种双星并合事件的引力波最有独特特征，最容易识别，因此不难理解，是LIGO抢先探测到了引力波。

而LISA、天琴就要低频一些了，它们对频率为~10^-2到~10^-4的信号最敏感。因此它们更适合寻找银河系中相对慢速绕转的双致密星，以及因身材庞大而转不快的超大质量双黑洞。

脉冲星适合探测频率~10^-8的引力波，宇宙微波背景辐射更是只能探测~10^-16次方这样极端低频的引力波。以上所有这些，就像是工作在不同的电磁波段一样，共同描绘出完整的引力波的多彩世界。


2、LIGO的黑科技

就算LIGO的臂长对应的引力波频率跟双黑洞并合刚好一致，就算干涉原理吊炸天，凭什么LIGO可以测得出千分之一个质子半径的细微变化？

大陆板块在移动。大海在拍击着全球的洋底。大气呼号着。整个北美大陆的汽车轰鸣着。蚂蚁军团就在隔壁掀起了一场灭国之战。想要把所有这些噪声隔离开，专心倾听来自十几亿光年外、振幅为千分之一质子半径的波动？

太平洋上台风肆虐，我在上海的岸边扔了一粒石子，请你在加州海滩上测出它的涟漪。

1）隔离震动

发布会上，Weiss演示了LIGO隔绝震动的基本原理：当你高频摇动一个摆的绳端，摆并不会跟你一起摇动，反而会维持稳定。

当你把这招用到极致，就是这样：

左图是升级改造前的LIGO：反射镜仅有25厘米直径，用两根钢丝吊起。而右图中，升级改造后的Advanced-LIGO，使用了远为复杂的机构，和更大、更重的反射镜，来最小化反射镜本身的晃动。

而这个东西，是吊在这里面的：
震动隔离平台。主动减震。


2）干涉
我想你已经知道了什么是干涉——如果不知道的话，看下图：

两束光，峰谷对应，得到的光峰谷分别加强，总光强更强；峰谷错位相消，则最后什么光都没有剩下。

这样，光强极为灵敏的显示了两束光的峰谷之间的细微差距。

3）功率倍增器
激光越强，干涉产生的图样越清晰易测量。为了保证效果，LIGO需要750千瓦的激光功率——但LIGO激光功率其实只有200瓦——为将此功率倍增，LIGO让入射的激光首先在很多镜面之间来回反射，并将反射后强度叠加后的光原路输回原光路，形成所谓“能量循环”，满足了LIGO的功率要求。

4）镜子
纯二氧化硅打造，每300万个光子入射，只有1个会被吸收。一个字，亮。


5）真空
LIGO的激光臂全部在真空腔内，其真空腔体积在地球上仅次于LHC（欧洲的大型强子对撞机），气压仅为万亿分之一个大气压。

6）反射
有如上所述的强激光、超洁净的镜片和真空环境，LIGO才能无所畏惧的让激光在4 km臂中反射了400次再进行干涉——这极大的增加了LIGO的有效臂长，让它能以1600 km的臂长，探测更低频的信号，并且得到更显著的测量结果。


发布会上，美国人表示“LIGO是世界上最精密的测量仪器”，诚哉。

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不明觉厉