「我们探测到了引力波。我们做到了。」 一、引力波是什么？ 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（或大概将会看到）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？ 2、引力波是以光速传播吗？ 3、宇宙弦存在吗？ 4、中子星上有山吗？ 5、恒星怎么就爆了？ 6、宇宙膨胀的多快？ 工欲善其事,必先利其器。在解读这起事件之前，我们要了解的是 LIGO 为什么把老爱那代人没做成的工作做成了。 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，显然不大概有什么结果。 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 也能通过测量两束干系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。 个中，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，摆并不会跟你一路摇动，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、超干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。 二、那么，引力波到底能告诉我们什么呢？ 1、黑洞是不是真的存在？ 「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。 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。 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……
