造就Talk | 曹军威：穿越了13亿年，引力波在这一秒与人类邂逅
各位朋友下午好。我叫曹军威，来自清华大学。我是国际激光干涉引力波天文台（LIGO合作组织）的中国负责人。我今天演讲的题目叫《你所不知道的引力波之美》。我2004年加入美国麻省理工学院激光干涉引力波天文台的实验室，2006年回国，在清华大学创建了LIGO工作组，2009年我们加入LIGO。我们加入这个组织工作了6年之后，在2016年2月11号，国际LIGO合作组织宣布直接探测到“引力波”。3.为什么我们认为探测到的是“引力波”而不是其他？从科学工作者的角度，我会给大家一个非常详尽的介绍。什么是“引力波”？“引力波”从哪来？到底科学家直接看到了什么？这两个波形在距离3000公里的美国两个激光干涉引力波天文台被同时监测到。距离3000公里，光从一个天文台走到另外一个天文台的速度是10毫秒。实际上这两个波形它们之间相差了6.9毫秒。当我们把一个模型平移了6.9毫秒以后，把两个曲线重合起来，大家可以看到关键的部分有非常高的重合度。这个就是我们观测到的引力波的信号。讲“引力波”的时候，我们会说听到了宇宙的声音。很多年前我们有了望远镜，我们说这叫看到了宇宙。当引力波信号输入到音频以后，我们能听到什么？
最后一下，我们能听到“Biu”的一声，在频率上它已经非常非常突出了。所以我们说听到了“引力波”的声音。“引力波”从哪里来？
双黑洞。
大家可能都听说过黑洞，它的质量很大，连光都逃逸不了。只有大质量的物体在剧烈的天体运行中，我们才有可能探测到“引力波”。这对双黑洞的并合经过了三个过程，第一个过程是旋进，过程中放出“引力波”。放出的能量使得它们旋进的速度越来越快，它们的距离也越来越近，当它们近到一定程度以后，两个黑洞就会碰撞到一起。第二个过程是碰撞，实际上就是一个“引力波”发射的过程。第三个过程是衰减，它们形成了一个新的黑洞。这就是我们观测到的“引力波”的一个波源，我们称为“双黑洞合并”。这个过程释放了“引力波”的意思是：有超大质量的物质，通过运动对引力场做了搅动，引力场中间的波动我们称为“引力波”。双黑洞合并释放“引力波”这个过程，不仅仅是两个黑洞在旋绕，还包括了它周围引力场的变化。它们合并以后，会释放大量的“引力波”，我们称为“引力场中的波动”，这种波动携带了巨大的能量。什么是“引力波”？
这要回到1915年爱因斯坦的广义相对论。
广义相对论想在几分钟之内跟大家讲清楚，是一件不太可能的事情。不过可以给大家说一个最基本的概念：物质和时空是互联的。无论是这么大的天体还是一个人，都是一个物质的存在。而物质存在的同时，周围是有时空把物质联系在一起的。最直观的解释就是太阳和地球之间的关系。为什么地球会绕着太阳转？牛顿的解释是因为万有引力。引力是一个超距作用，引力和质量成正比，和距离成反比。爱因斯坦则从另一个角度来解释。他不相信引力的传播会是超距作用。他认为如果有一天太阳突然消失了，地球会怎么样？地球可能就会飞出去。地球怎么会知道太阳消失了呢？它为什么会飞出去？爱因斯坦就解释，太阳如果消失了，它的引力场就会变化，这件事通过引力场的变化传递给了地球，地球知道太阳消失了，于是它就飞出去了。这个关系叫物质引导时空弯曲。我们刚才讲了，有物质的同时，还有一个场的存在。而这个场就是时空。太阳因为质量很大，他把时空做了弯曲，地球并不是心甘情愿围绕太阳转，它以为自己在走直线，但是它实际上受到太阳所形成的时空弯曲的引导。时空引导物质运动，所以地球会围绕太阳转。物质跟时空是互联的，这个互联就体现在“引力波”和能量的交换。在正常情况下不同时空之间很难发生作用。但在极端的天体条件下，比如我们这次探测到的黑洞并合的瞬间，发出了巨大的能量，以波的形式，从其他时空传递过来，到达了地球。在广义相对论的基础上，爱因斯坦于1916年预言了引力波的存在。他认为任何加速运动的物质都会发出引力波。也就是说我跑两步，你走两步也可以有引力波，但这个引力波强度非常微弱，很难探测出来。引力波会对时空产生什么样的作用？在多极的情况下，它在一个方向上会拉伸时间和空间，在另一个方向上会压缩时间和空间。这个怎么理解？形象的理解就是：一张桌子，你用普通尺子去量，它是1米长。但如果尺子变了，你去量的时候，发现了这个桌子的长度也变化了。引力波导致的是尺子的变化而不是物质的变化。双黑洞合并导致时空弯曲，释放出这个引力波的过程中，如果我们把时空的效果再加进去，会是一个什么样的情况？我们附加了下边这条线，是我们探测到的引力波的实际一个曲线。这是在不到1秒的时间内发生的一个事件：两个黑洞已经非常非常接近了，它们的旋进导致引力波的放出，然后旋进越来越近。大家能看到不仅仅是两个物质间的运动，实际上是它们时空之间的相互作用。当时空的弯曲作用逐渐接近，进入到非常剧烈的一个并合过程，在很短的瞬间释放出了巨大能量的引力波，使得这两个黑洞并合在了一起。这就是我们探测到的过程。一是因为引力波源距离我们很远，二是即便有引力波，它跟物质的相互作用极小，一个引力波扫过你，你可能根本就没有任何的感觉。在地球上一个氢弹的爆炸，所产生的引力波的量级是10的负27次方时空上的变化，这是我们无论如何也探测不到的。必须有大质量天体的极端运动，才能产生足够让人类现在能探测到的引力波。这个量级有多少？我们这次探测到了在10的负18次方时空里，有四个格之间我们发现了其中一格的空间晃动了一下。为了探测到这个信号，我们建造了一个激光干涉引力波天文台，它台的臂长有4公里长，两个臂是垂直的，都有4公里。这里能看到光学的激光器件，信号是从这里被探测到。这个天文台的基本工作原理是：一束激光打出来，翻成两束，再反射回来，如果两臂绝对等长，那在成像仪上就没有信号。如果由于引力波的作用使得一个臂压缩，另一个臂拉伸，那就会在这个成像仪上产生信号。时空都是相对的，唯有光速是绝对的，所以我们要借助激光这个媒介来测量空间的弯曲。我们来回放一下：我们想象的宇宙空间里，有着像水波纹一样的时空分布。如果这里面有像黑洞这么大的物质，开始在里面对时空进行搅动的话，它就会不断地释放出引力波，这个引力波是在物质周围，跟物质联系在一起。旋转越快、越近，引力波放出的能量就越大。最终这两个黑洞并合在了一起。经过我们后面的推算，我们探测到的这个引力波信号，发生在13亿年前，经过了很多很多星系，最终来到了地球，这个过程只有一秒的时间。而我们就在这一秒的之前的一个礼拜，把两个天文台做好了，刚刚好可以达到能探测到它的精度。通过我们的波形，推算出这两个黑洞的质量，一个相当于太阳质量的29倍，一个相当于太阳质量的36倍。并合以后的黑洞是62个太阳质量。也就是说在不到1秒里面，有三个太阳质量的能量，瞬间从物质导入了时空，产生了一个巨大的引力波。大家可以想象这个量级：太阳已经存在了45亿年，而且还将存在45亿年，它生命全过程中释放出来的能量，供地球用都用不完。而三个太阳质量的能量，在不到一秒钟的时间内释放了出来，经过了13亿年传到了地球，我们才有机会在不到1秒的过程中捕捉到它、探测到它，这就是事件全过程。为了做到这件事，我们的探测器达到了很多人类所能达到的技术极限。第一是探测臂外面有一个罩，里面是一个真空腔，这是全世界最大的真空系统，4公里长。而且我们等于有两个这种真空系统，它们在中间交叉了一下。因为真空能避免各种分子运动在空气中的干扰，所以我们要在真空里才把激光束打出。我们打的激光也不能是一般的激光。必须是能量高又稳定的激光才能实现精密测量。反射这激光的镜面必须质量非常好，激光打上去以后，由于热运动镜面开始变形，而必须排除各种干扰，我们才能探测到10的负18次方这样的精度，所以这个镜面也是特殊制造的。悬挂这个镜面的机械装置是最稳定的一个振动隔离系统，外边不论怎么振，这个镜子必须不动。最后，我们需要一个数据的采集和分析系统。我本人是计算机专业出身，所以我更多的工作是放在这个系统上。2015年9月14日，5点51分，这个信号被捕捉到，进入到我们的数据分析系统。9月14号5点54分，在3分钟之后，我们在线的程序流水线就发出了警告，告诉我们有这样一个信号值得关注。这个程序流水线的名字叫Coherent WaveBurst，它做了一件非常简单的事情：计算这个波形的能量变化。发现在两个天文台捕捉到这样的能量变化，而且时间差距在10毫秒以内，我们就把这个信号提取出来。认为这可能是一个引力波信号。前面我们既讲了什么叫引力波的基础理论，又讲了我们怎么探测到引力波。下面我就讲一下，为什么我们这么确信这个信号就是个引力波，而不是其他的东西？我们把收集到的16天的数据都输入到这张图里面去，大家可以看到，左边是代表我们所有的信号的背景，右边这个点就是我们探测到的信号。探测到的信号，远离我们整个数据的背景，远离的程度是多少？它的信噪比在23以上，它在天文上的标准显示度达到了5.1σ值。在天文上，5以上我们认为就是一个新发现。我们没有机会对黑洞放出的引力波做实证的对比，因为我们现在还没有任何方式能观测到黑洞。那么我们做了一个仿真的对比。上面是一个黑洞并合的过程，这个红线叫数值广义相对论的一个仿真曲线，这个灰线是从第一张PPT的数据中重构出来的——一个我们认为是引力波的曲线。大家能看到这两个曲线的相似度在99%以上。在旋进并合到渐退的过程，它从35赫兹到350赫兹，在不到一秒的过程中剧变然后消退。这不是一个普通的噪声所能伪装出来的信号，一个噪声想伪装成这样的一个信号的概率，20万年才会有一次。这件事加强了我们的信心。通过这样一个对比，我们非常有信心：这是一个引力波的信号。这项工作，有来自全世界一百多个科研机构的上千名科学家参与。从90年代开始建设天文台，到现在探测到引力波，历经20余年，清华大学是中国的唯一的参与单位。引力波的探测，是爱因斯坦在1915年提出的广义相对论在最极端最严格情况下的一个验证。等于说是填补了广义相对论四大验证中最后的一块板块。在天文上的意义在于说我们开始能够听到宇宙，打开了一扇探索宇宙的新窗口，开启了引力波天文学的一个新时代。未来的工作很简单，这张图标识了我们用两个天文台来定位引力波源的一个精度。这个精度还是很粗糙的，它不足以支撑我们未来精确的引力波天文学的研究。未来我们要建设全球的引力波探测网络，这样的一个网络在美国已经运行，在欧洲和日本建设，甚至在印度也开始筹划，中国也在紧锣密鼓的计划中国主导下的引力波天文台的建设。现在我可以明确地告诉大家，没有现实意义上能挣钱的应用。但是我想最起码在刚才的几十分钟里，它给我们了一个机会，让我们大家在一起去仰望星空。引力波到底美不美？从刚才我给大家介绍的一系列数字之中，大家可以来想像自然和宇宙是如此的神奇。13亿光年，65个太阳质量，在一秒钟之内放出了这么大的能量，而在10的负18次方的量级上探测到引力波的存在。实际上我想讲的并不是自然有多神奇，我更想强调的是，人类居然能够理解这件事，是不是更神奇？居然有爱因斯坦这样的人，在100年前就写下了方程，预言到了这件事。而在100年后，居然有人就能做出这样的仪器，把它探测出来。所以我想到底美不美，大家每个人心中都有你们自己的一个答案。很多人也问我，到底时空穿越，星舰文明有没有可能？我想没有不可能的事情。如果有一天，我们有了远航的星舰文明，它将会回想和2016年2月11号这一天，人类探测到引力波。
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