本篇文章9104字，读完约23分钟
作者@jing ming，引力波研究领域为数不多的中国科学家之一。
德国时间2016年2月11日晚上8点(北京时间2016年2月12日凌晨4点)。我刚从我们研究所(aei)的新闻发布会回到家。正如我在评论区所说，当ligo的主管大卫来到华盛顿时，他宣布:“是的！我们做到了！”当时，许多同事在aei会场留下了眼泪，包括我们的导演:
主啊，一个人很少哭泣。这时候，暖流突然在他心里涌动，但他还是忍住了哭。那是一种强烈的感动，感动到想哭的感觉。在整个新闻发布会上，我进行了反击。
新闻发布会结束时，我们喝了香槟，互相祝贺。我还问了几个同事他们是否在哭，然后自豪地说他们没有哭。
当我第一次回到家，用钥匙开门时，这种感觉又来了，特别强烈。我颤抖着打开门，冲进卧室。我再也忍不住，哭了几分钟。
我已经好几年没哭了。我没想到在这件事上我会变得如此情绪化和情绪化。
刚开始玩智虎，周末早上我就懒的躺在床上刷智虎。看到智虎后，我有点开心。我没想到国内公众会注意到“引力波”的方向。作为引力波研究“圈子”中为数不多的中国人之一，我很想谈谈这个问题，希望能让更多的人了解这个方向。我曾经多次向对这个问题感兴趣的亲戚朋友解释过“我们做什么”，所以我可以用通俗和非专业的语言来描述它，告诉你们引力波的发展历史、物理意义、研究现状等。因为它完全是手写的，所以可能需要几次才能完成。我希望每个人都能支持它(雷锋)。com将有一系列更新)
对这方面特别感兴趣的学生推荐读一本由kip(有中文翻译)写的书:黑洞和时间空本德(black hole and time bend ),这本书非常好而且容易理解。三个月前我和基普·索恩的合影:
1.什么是引力波？在爱因斯坦的广义相对论于1915年提出后，这个描述“时间空和物质”的理论在许多地方进行了实验测试。在确凿的实验证据下，人们一次又一次地被这一伟大理论的深刻性和正确性所震惊。这就像这样一种感觉:“啊~难以置信，你说这个世界和这个宇宙如此不同！”这和我的感觉完全不同！你一定很可笑，我一点也不相信！“然后，广义相对论被各方面的实验所证明，人们的感情开始慢慢改变，接受了我们的世界不同于我们最初所想的事实。人们逐渐意识到世界比我们想象的要深刻得多。
感兴趣的学生可以看看以下广义相对论的验证:广义相对论的实验验证
广义相对论的正确性是毫无疑问的，但是引力波作为广义相对论的一个重要预测，却很久没有被发现。把广义相对论作为人类科学圣经的科学家们很生气。他们坚信引力波一定存在。为了探测这种引力波，几代科学家已经做了许多尝试和努力(我们将在后面的章节中讨论)。那么这个神秘的引力波是什么呢？
最简单的一句话，引力波是“时间的涟漪空".”听起来很神秘。时间的涟漪是什么，空？让我慢慢来:
我相信许多学生对广义相对论了解不多。来吧，不要惊慌~在这里你可以在几分钟内“学习”广义相对论，然后你可以很容易地用武装理论理解这篇文章中的许多东西。
要理解广义相对论，你只需要知道两句话。我相信每个人都听过第一句话:
1.空在时间上是三维加一维的，所以空是四维的。时间空是时间加上空，这是一个整体。
例如，你在一小时空.因为，此时此刻，你必须在某个地方读这句话(空).
同样，人们的宇宙是时间加上空，所以宇宙是四维时间空.
第二句太棒了！当你看到它的时候，你就会知道广义相对论是关于什么的！
2.时间空告诉物质如何运动；当物质告诉空如何弯曲时
时空告诉物质如何运动；物质告诉时空如何弯曲
嗯，很简单。广义相对论是一个专门讲述物质如何运动和物质如何弯曲的理论。这也暗示了以下含义:物质(有质量的东西，可能有能量，因为能量也有质量)如何在它的时间里运动，空取决于它的时间空性质。另一方面，只要有物质空，它就会弯曲。弯曲的程度和如何弯曲取决于胃中物质的质量和分布。
看，事实上，我们可以从根本上理解这个“深刻”的理论，不管那些烦人的数学公式，对吗？好了，既然你已经理解了相对论，你现在可以很容易地理解引力波了~ ~
先看图:
两个黑洞是黑洞，是质量很大的天体。因为质量很大，根据“当物质告诉你如何弯曲”的说法，他周围的小时空会弯曲得很厉害。时间空当它不弯曲时，它就像一个平静的湖。你轻轻地把一个球放在它上面，球下面的水是弯曲的，这和黑洞存在并且在空弯附近的原因是一样的。水面上停着一个球，水仍然很平静。然而，如果有两个球像图中的两个黑洞一样相互运动，那就非常糟糕了。涟漪会出现在关卡上。
同志们！如果水面是时间空，那么水波就是引力波！引力波不应被理解为引力波。引力波的本质是时间空的波动，这是时间空的波动！肿了吗？你是不是立刻感觉更深了？我总觉得事情越深入，就越容易接近和理解。
细心的学生可能已经知道引力波的前提是什么。是的，它是物质的运动。物质的质量越大，运动越剧烈，这次对空的扰动就越大，引力波也就越强。
黑洞是多么巨大的天体啊。奇怪的是，这两个大家伙跳探戈空没有被他们颠倒。
为什么你还没有探测到引力波？
同学，你问了一个好问题。我们不好意思问这个问题，但是我们有点委屈。我真想问:陛下，臣妾做不到！
2.探测引力波的意义注:这部分可能涉及其他学科的一些知识。如果陈述不正确，请指出来。
引力波领域的领军人物之一伯纳德·舒茨几个月前退休了。四年前，当他在北京大学发表学术报告时，他表达了自己的感受:我们花了数十亿美元寻找引力波，但仍然找不到。有时候我在晚上想，我怎么能和妻子睡在自己的床上呢？我应该睡在监狱里。
听了大老板的话，当时在场的很多人，包括我在内，都会笑，大多数人都把他的话当成笑话。然而，当他进入研究领域并成为他团队的一员后，他真正理解了引力波探测的困难。优秀的科学家花费了大量纳税人的钱来寻找引力波。半个世纪过去了，我们仍然“一无所有”。感到有点内疚是可以理解的。
引力波探测对物理学非常重要，对我们加深对宇宙起源和空.时代本质的理解也非常重要它的初衷可能只是为了验证或否认相对论的正确性，但它的物理意义远远超出了这一点。毫不夸张地说，未来引力波探测带来的新发现可以轻而易举地获得20项诺贝尔奖。在接下来的章节中，我将特别提到引力波对物理学各个方面的重要性，以及为什么我们愿意花费数十亿美元(甚至数十亿美元)来研究和探索一些似乎与我们的生活无关的东西。但在这一部分，我真的想从另一个角度来谈它的意义。我想讲一个激动人心的故事，一个你我都参与其中的故事，一个我们这一代人应该引以为豪的故事。
嗯，引力波的含义，我认为我们必须从138亿年前开始。让我们移动小马，慢慢听我说:
138亿年前，体积有限(可以想象成网球大小)且密度和温度极高的大量“东西”爆炸了。这绝对是宇宙历史上最重要的事情，因为这次爆炸不仅孕育了你和我，也孕育了时间和空.在大爆炸的那一刻，宇宙诞生了。
大爆炸后，整个宇宙仍然是黑暗的。随着宇宙变得越来越大，温度迅速下降，38万年后，温度最终下降到一定程度，光子开始分离。宇宙的第一缕光诞生了！
宇宙中的第一缕光线是宇宙微波背景辐射(cmb)。这个发现是另一个能让人微笑的故事，所以不会在这里展开。
宇宙的进化宇宙的进化
宇宙微波背景辐射，这是宇宙中的第一缕光线，来自138亿年前，也就是138亿光年之外。宇宙微波背景辐射，这是宇宙中的第一缕光线，来自138亿年前，也就是138亿光年之外。
“等等”，台下的观众很不满意:“我们是来听引力波的故事的。你说的是什么中巴？别担心，各位。宇宙中所有的故事都是相互关联的。来，让我们做一次空穿越，从遥远的138亿年前到地球的5亿多年前。
那时，地球非常活跃。一些古生物学专业的学生应该对此很熟悉。当时，它被称为寒武纪。大约5.3亿年前，在2000多万年的时间里，地球上突然出现了各种各样的动物，它们都起源很快，形成了多种动物共存的繁荣景象。寒武纪生命大爆发是古生物学和地质学中的一个大悬案。目前，对于生物物种为什么会集体出现甚至爆炸，还没有统一的解释。总之，在那个时候，生物疯狂地进化，并且因为不适应环境而很快被淘汰，取而代之的是更强壮的生物。在此期间，一些生物的眼睛进化了。接下来，我们郑重邀请这一节的主角——奇怪的小虾们来玩！
Anomalocaris (anomalocaris)
肿了吗？这只奇怪的虾很可爱吗？不要被它可爱的外表所欺骗，它可以长到两米，而且非常凶猛:
引自百度百科:
它有一双带把手的巨眼，一对快速捕捉猎物的分节巨前肢，一把漂亮的大尾巴扇和一对长尾叉。虽然它不擅长走路，但它能游得很快。这个直径25厘米的巨口可以捕食当时的任何大型生物，而且它有环形的外部牙齿，这对那些受矿化盔甲保护的动物构成了极大的威胁。这是一种具有强大攻击能力的食肉动物，其个体大小可达2米以上，而其他大多数动物平均只有几毫米到几厘米。
作为当时的海洋霸主，这种奇怪的虾能够统治海洋数千万年。除了他强壮的身体，它还得益于他头上黑色的大眼睛。你知道，在寒武纪，眼睛开始进化，许多生物没有眼睛(可能只有感光细胞)。虽然有些生物有眼睛，但由于进化不完全，它们的视力模糊，只能模糊地看到环境物体的轮廓，所以当捕食者靠近它时，它不能完全做出反应。作为一个成功的捕食者，这种奇怪的虾在这场“雷达军备竞赛”中遥遥领先。与当时大多数生物相比，它率先进化出能真正“看”东西的眼睛！
眼睛本身的发展是一个非常复杂的课题，而感光细胞在它开始的时候就开始进化，并逐渐形成了那种类似现代生物的眼睛。让我们把奇怪的虾孩子作为第一个有“复杂”眼睛的生物。
让我们算一下:
138亿年前:第一缕光线
45亿年前:地球诞生了
36亿年前:地球上的生命诞生
5 . 3亿年前:这只有眼睛的奇怪的虾终于可以看到存在了100亿年的光了
从某种角度来看，那个时代的生物是值得骄傲的！作为第一批地球生物，他们看到了温暖而明亮的光！从那时起，视觉已经成为许多生物最重要的感官之一，包括人类。
好吧，好吧，让我们回到物理学，回到时间空，回到引力波。事实上，我一生中被问了很多次:探测引力波有什么用？每次我都能给出一个很好的答案，即使对方是一个物理基础为零的文科女生，因为有时候我不谈物理，我就讲这个奇怪的小虾的故事。
从粒子的角度来看，引力波被理解为引力子，类似于光子。然而，与38万年前宇宙诞生后才产生的光子不同，引力子只解耦了0.0000...0001秒后的大爆炸，并存在于这个宇宙中，这也被称为原始引力波。
100多亿年后，除了最初的引力波，宇宙中的任何物体只要移动都会辐射引力波。当两个黑洞一起跳舞时，当超新星爆炸时，当月球围绕地球运行时，引力波就会被释放出来，当你挥动金环时，你也会释放出引力波。当你在路上经过你最喜欢的姐姐时，你仍然在释放你的引力波，除了你的爆炸。
是的，你是对的。引力波是另一种光。这种“光”的本质是时间空的波动，但它仍然可以理解为一种不同于电磁波(光)的光。
上帝说:要有光。
所以这只奇怪的虾在133亿年后看到了第一缕曙光。
138亿年后，
今天，或者很快，我们可以看到第二道光！
这绝对是继大侠虾米之后的5亿年中最重要的时代！
这“来”有多长时间了？业内普遍认为引力波将在四年内被探测到，但我的同学们，这只是四年。事实上，即使引力波在预期的四年内没有被探测到，它也会发生在这个时代。作为每个碰巧出生在这个时代的人，我们应该为这个时代感到骄傲，为人类和地球上的生命感到骄傲。这个时代的地球人，代表着地球上的生命，可以自豪地宣布:我们不再盲目，我们看到了，我们看到了第二束光！
我想在这里补充一点，当我还是个孩子的时候，我特别喜欢看圣徒。当我在小学的时候，我经常被小宇宙的第六感所激动。是的，在引力波被探测到之后，人类将拥有真正的第六感，感知时间空涟漪的能力。从科学上讲，人类的这种第六感无疑是人类的一双“眼睛”，可以窥探到许多我们以前看不到的东西，比如38万年前宇宙大爆炸后的宇宙，比如黑洞的结合等等。用这双眼睛，你可以看到宇宙的所有奥秘！
为什么业内普遍认为它是在四年内被发现的？
我将在接下来的章节中详细讨论这一点。在这里，我将简要介绍一下原因。
它可以在2019年被探测到，因为引力波的主要探测器ligo在最近几年可以升级，升级后的ligo具有更高的灵敏度。结合天体物理学的各种模型和数据，我们一年可以探测几次引力波事件。如果引力波当时没有被探测到，那要么是广义相对论的问题，要么是许多天体物理学理论的问题。当然，也有可能我们的工作做得不好；另外，我想提一下bicep2。事实上，预计bicep2的结果将被普朗克数据所拒绝。然而，即使二头肌的结果后来被普朗克数据所证实，它也不能被称为引力波探测，而只能被视为引力波存在的间接证据。引力波的直接探测主要依靠ligo领导的几个大型激光干涉仪进行引力波探测。
为什么探测引力波如此困难？
引力波将黑洞交响乐带到地球上，物理学家设计仪器来发现引力波并聆听它们的音乐。
照片:蟹状星云中的中子星。它距离我们6500光年，每秒旋转30.3次，同时释放出强大的x光、伽马射线和引力波。
一切似乎都是如此美好，是的，这是多么简单，只要广义相对论说他存在，你就不能试着建造仪器并找到它们吗？不幸的是，在我们的宇宙中有一样东西非常非常快，而另一样东西非常非常小。
是一滴，光速很快，每秒3亿米；较小的一个是重力常数6.674-11N·m2/kg。
我把这两个系列放在下面:
C=300000000(八个零)
G = 0.000000000667 (11个零)
霍金在他的《时间简史》中开玩笑说，如果一个公式被添加到科普书籍中，销量将减半。同样，我不喜欢在科普文章中列出公式。如果我写下下面的公式，我的赞美会减半吗？
文科学生不应该被这个公式吓倒。这只是乘法和除法。安心听我说。这很容易理解！
h0 =40×g×i×f^2×e/(c^4*d)
引力波强度=(40×引力常数×惯性矩×频率的平方×椭圆率)除以(光速的四次方×距离)
正是因为这两个数字(C和G)，我们很难探测到引力波。
让我简要地分析一下里面每个量的值:
I:转动惯量。这基本上与物体的重量和形状有关。简单地说，质量越大，物体的惯性矩就越大。例如，一颗中子星有1.4个太阳质量，它的惯性矩是一个非常大的数字，大约是1e38(嗯，太神奇了，总共有38个零！)因为中子星有很大的惯性矩，我们可以用它作为一个很好的引力波源，而不是你玩呼啦圈。
f:频率。中子星旋转得越快，引力波就越强。但是据我们所知，中子星的速度高达每秒1000转。所以我们在这个游戏中又做了六个零！
椭圆度。中子星不是绝对完美的球体。如果它绝对完美，当它旋转时，空不受干扰，不会释放引力波。一般认为他的椭圆率约为1e-6。我们在这个参数上丢了六个零。
d:距离。太神奇了。众所周知，宇宙实际上非常空宽，恒星之间的距离是以光年计算的。假设中子星距离我们1000光年。那么它是1.19米。这次我们输了很多，但幸运的是我们面前有38个零。
同学们，别忘了，我还没有计算出邪恶的C和G，关键是C仍然是第四力量！
引力波强度现在有多少个零点？1+38+6-6-19-11(重力常数)-8×4(光速)=...-23岁。
哦，我的上帝，这场战斗是一个惨败！即使我们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0.000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
这种引力波强度的影响相当于1e-19m在1千米长度上的变化！
这是什么概念？
氢原子的最小原子半径:1e-10m
它的核半径是1e-15m。
现在，自然告诉我们，如果我们想看到引力波，我们需要找到空之间的变化，它小于1千米内原子核半径的10000倍。这...你在开玩笑吗？
我可以想象当引力波科学家发现引力波如此之小如此之弱时，我的心是多么绝望！即使在广义相对论提出后的二三十年里，也没有人敢试图找到如此微小的量。
所以，不要谈论精密机床，分子拼接，这是一个“高精度”的实验或设备。我可以非常肯定地说，世界上在空尺度上最精确的实验无疑是引力波探测。这是迄今为止大自然给人类的最困难的挑战，它曾经被认为是远远超出人类现有技术的挑战。如果我们想刺激小宇宙获得第六感，大自然对我们的要求是，你应该首先完成超自然的行为。
如果引力波能被人类探测到，我想用我最喜欢的电影之一《致命魔法》中的一句话来表达我们的感受:
引力波探测有多困难？很难，很难，很难。引力波探测是一项世界性的工程，它融合了物理学、工程学、数学和计算机领域最先进的理论、技术和人类智慧。人类已经尽了最大努力来探测长度为4千米的时间空波纹，这比核子尺度要小。关于检测有多困难，稍后会更新。
3.引力波科学的历史引力波的存在在广义相对论提出后的20世纪40年代被许多物理学家质疑。尽管疑虑在不久的将来逐渐消失，但大多数物理学家认为引力波太弱了，以至于无法被探测到。第一个尝试直接探测引力波的人是约瑟夫.韦伯。早在20世纪50年代，他就第一个有远见地意识到探测引力波并非不可能。从1957年到1959年，韦伯致力于引力波探测方案的设计。最后，韦伯选择了一根长2米、直径0.5米、重约1吨的圆柱形铝棒，它的一边指向引力波的方向。这种类型的探测器在工业上被称为共振棒探测器(如下图所示):
照片:韦伯和他的共振棒探测器。引力波驱动铝棒的两端振动，从而挤压晶片表面并产生可测量的电压。
当引力波到来时，铝棒的两端将被交替挤压和拉伸。当引力波频率与铝棒的设计频率一致时，铝棒将发生共振。附着在铝棒表面的晶片将产生相应的电压信号。共振棒探测器有明显的局限性，例如，它的共振频率是确定的，尽管我们可以通过改变共振棒的长度来调整共振频率。然而，对于同一个探测器，它只能探测相应频率的引力波信号。如果引力波信号的频率不一致，探测器就无能为力了。此外，共振棒探测器有一个严重的限制:引力波会产生时间空失真，而且探测器制造得越长，引力波对这个长度的作用所引起的变化就越大。韦伯的共振探测器只有2米，在这个长度范围内强度为1e-23的引力波变化太小。对于20世纪50年代和60年代的物理学家来说，很难检测到如此微小的长度变化。尽管共振棒探测器最终没能发现引力波，但韦伯开创了引力波的实验科学。在他之后，许多年轻而有才华的物理学家致力于引力波的实验科学。
在韦伯设计和建造共振棒的过程中，一些物理学家认识到了共振棒的局限性，并提出了一种基于迈克尔逊干涉仪原理的引力波探测方案。20世纪70年代，麻省理工学院的rainer weiss和马里布休斯实验室的robert forward分别建造了引力波激光干涉仪。到20世纪70年代，这些干涉仪已经成为共振棒探测器的重要替代品。
图: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可以简单理解为:天花板上悬挂着四个测试质量块，激光器发出频率稳定的单色激光，在分光镜上分成强度相等的两束，一束经分光镜反射后进入干涉仪的Y臂，另一束通过分光镜进入与之垂直的X臂。在同一时间之后，两束光束返回并在分光镜上再次相遇，导致干涉。
通过调整X和Y臂的长度，我们可以控制两束光相互抵消，此时光电二极管上没有光信号。如果引力波从垂直于天花板的方向进入，两臂中的一个将被拉长，另一个将被压缩，这样两束光束之间的光程差将改变，相干抵消的原始条件将被破坏，一定量的光将进入探测器以获得引力波信号。激光干涉仪用于谐振杆的优点是显而易见的:首先，激光干涉仪可以探测一定频率范围内的引力波信号，一般为20Hz-3000Hz；其次，激光干涉仪的臂长可以做得很长。例如，地面引力波干涉仪的臂长一般在千米数量级，远远超过谐振杆的长度。
20世纪90年代以来，世界各地建造了一些大型激光干涉仪引力波探测器，引力波探测的黄金时代已经开始。这些引力波探测器包括:美国路易斯安那州利文斯顿的LIGO (L 1)，臂长4公里；LIGO (H1)，位于美国华盛顿州汉福德，全长4公里；处女座。，位于意大利比萨附近，臂长3公里；德国汉诺威的全球测地系统臂长600米，日本东京的tama300臂长300米。这些探测器从2002年到2011年一起进行了观测，但是没有探测到引力波。经过重大改造和升级后，两个先进的ligo探测器开始作为先进探测器网络的先驱进行观测，2015年灵敏度大大提高。此外，欧洲的引力波项目elisa和日本的地下干涉仪kagra的开发和建设也在全面展开。
照片:ligo(l1)，一个激光干涉仪引力波探测器，臂长4公里，靠近美国路易斯安那州利文斯顿
左图为ligo (h1)，一个激光干涉仪引力波探测器，臂长4千米，位于美国华盛顿汉福德附近；右图为virgo，一个由意大利和法国在意大利比萨附近共同建造的激光干涉仪引力波探测器，臂长3千米
照片:在山顶下1000米的日本地下干涉仪内。地下岩壁都用防水布包裹着，因为里面有太多的水。当时，一个日本朋友在一个国际学术会议上做的一个报告就是简单地卖孟:今天这里有很多水，所以我把它擦干净，明天那里有一条小溪出来，我把它灌满...这让我感觉他在整个博士期间都在拖地板。附言:后排左边第一个是我。
引力波探测器耗资数亿美元，非常昂贵。我相信很多学生会问为什么我们要花这么多钱在世界各地建造这么多探测器。这是一个非常好的问题！
如前所述，引力波的强度如此之弱，以至于我们的探测器必须非常非常灵敏。它有多敏感？在这里我将告诉你所有真实的流言蜚语。我听在geo600工作的同事说，德国汉诺威的geo600经常接收到一个周期信号，然后分析几千英里外大西洋的海浪对北欧大陆的影响。
对不起，学生们，如果一辆卡车经过一个探测器，我们怎么知道我们是在测量一个真正的引力波信号还是噪音？
最简单和最有效的解决方案是.....
健力亚尔......
原因很简单。当引力波穿过地球时，它将影响所有探测器。当一辆卡车经过，或者海浪，或者有人在旁边放了一个鞭炮，它只会在测试器上发出噪音。引力波探测器网络的构建不仅可以有效地识别虚假信号，而且可以更准确地测量引力波天体源的位置，分析引力波天体源的结构和性质。
图:分布在世界各地的引力波探测器网络
