我们找来了Jing Ming的一些见解，他是引力波研究“圈子”里的几位华人之一，本文中他深入浅出的、用通俗、非专业的词汇描述，结合自己的体会，向大家描述了引力波这个学科的发展历史、物理意义、研究现状等等。 1、什么是引力波？ 1915年，爱因斯坦的广义相对论提出之后，这个描述“时空和物质”理论在很多地方受到实验检验。人们在确凿的实验证据下，一次又一次的被这个伟大理论的深刻与正确而震惊。这好比是这样一种感受：“啊~你们说这个世界和这个宇宙这这样的那样的，太不可思议了吧！和我体会到的感觉完全不一样啊！你们肯定瞎扯，我根本不信！”然后广义相对论在各个方面被实验证实，人们的感受慢慢地开始改变，慢慢接受这个事实：我们这个世界和我们本来认为的不一样。人们也渐渐体会到原来这个世界比我们本来以为的地深刻的多。 感兴趣的同学可以看下面这个，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已经毋庸置疑，但是，作为广义相对论的一个重要预言——引力波，却迟迟没有发现。把广义相对论作为人类科学圣经的科学家们上火了，他们坚信，引力波是一定存在的，为了探测到这个引力波，几代科学家们做出了很多尝试和努力（这个具体我们后面章节再说）。那么这个神秘的引力波，到底是啥玩意呢？ 用最简单的一句话来描述，引力波是“时空的涟漪”。听起来好玄乎啊，什么是“时空的涟漪”？容我慢慢道来： 相信有不少同学对广义相对论不是很了解。来，不慌~这里你花几分钟就可以“学会”广义相对论，然后有了理论的武装，你就可以轻松理解本文里的很多事情啦。 要理解广义相对论，你只需要知道两句话，第一句相信大家都听说过： 1、空间三维+时间一维，这样时空就是四维。时空就是时间加空间，是一个整体。 比如：你就处在一个时空里。因为，此时此刻（时间），你一定在某个地方（空间）读这句话。 同样，人们的宇宙也是时间加空间，所以宇宙就是四维时空。 第二句话就厉害了啊！大家看到后就知道广义相对论讲得是什么了！ 2、时空告诉物质如何运动； 物质告诉时空如何弯曲 spacetime tells matter how to move; matter tells spacetime how to curve 恩，很简单吧，广义相对论就是具体说了时空是告诉物质怎么运动，以及，物质是让时空怎么弯曲的这么一个理论。这样也隐含了这么个意思：物质（有质量的东西，可能是能量，因为能量也有质量）如何在它的时空里运动，取决于它所处的时空性质。另一方面，只要有物质存在的时空，就会弯曲。弯曲程度、怎么弯曲，取决于它肚子里的物质质量大小以及分布。 看，其实不用管那些烦人的数学公式，我们也可以从根本上理解这门“深刻”的理论对吗？好的，大家既然已经理解相对论了，那现在就可很轻松地理解引力波了~^^~ 先看一个图： 两个黑黑的就是黑洞，黑洞是质量很大很大的天体。由于质量很大很大，根据“物质告诉时空如何弯曲”，他周围的时空会一定弯曲得很厉害是。时空不弯曲的时候就像一汪平静的湖水，你在上面轻轻放上一个皮球，皮球下面的水面是一个弧形的吧，这就和黑洞存在、附近时空弯曲一个道理。光有一个皮球停在水面上，水面还是很平静。但是如果有两个皮球像图中两个黑洞那样彼此环绕运动着，那就不得了啊，水平会泛起阵阵涟漪。 同志们！水面是时空的话，那水波就是引力波！不要把引力波理解成引力的波，引力波的本质是时空的涟漪，是时空的波动！肿么样？是不是感觉一下子深刻了许多？我一直都觉得，越深刻的东西，越是那么平易近人、那么容易理解。 细心的同学可能已经看出来引力波产生的前提是什么了，是的，就是物质的运动。物质质量越大，运动的越剧烈，对这个时空的扰动就越大，引力波就越强。 黑洞是质量多大的天体啊，这两个大家伙跳着探戈，时空不被他们搅得天翻地覆才怪呢。 那~那~你们怎么还没有探测到引力波？ 同学你问得好，问的我们无地自容，但又有点小委屈，真想嗷一句：皇上，臣妾做不到啊！ 2、探测引力波的意义 注：本节可能会涉及一些别的学科的知识，如果表述不正确，请大家指出。 引力波界大佬之一Bernard Schutz上几个月前退休。四年前，他曾在北京大学做学术报告时发表感慨：我们花了几十亿美元找引力波，还是没找到，有时候我晚上碎觉想想，我怎么能和老婆睡自己床上呢？我TM应该睡监狱里啊。 听着大老板的这番话，当时在座很多人人包括我都会心一笑，多半把他的这番话当成是玩笑话。但是后来自己进入了和这个研究领域，成为他团队下的一份子后，才真正明白引力波探测的艰难。善良的科学家们，花着大把纳税人的钱去找引力波，半个世纪过去了，我们依然“一无所获”，有点愧疚也是情有可原。 引力波探测对于物理、对于我们加深对这个宇宙起源、这个时空本质的理解是非常非常重要的。它的初衷可能只是验证、或者否定相对论的正确性，但是他的物理意义是远远超过这个。毫不夸张地说，未来由引力波探测带来的新的发现，拿20个诺贝尔都轻轻松松。在后面的章节，我会具体提到引力波对物理各个方面的意义，为什么我们愿意花几十亿美元（甚至上百亿），去研究、去探测一个看似和我们生活没什么关系的东西。但是在本节，我很想从另外一个角度来说它的意义，我想讲一个激动人心的故事，一个你我都参与其中的故事，一个我们这代人都值得骄傲的故事。 恩，引力波的意义这件事情，我想还是得从138亿年前说起，大家搬好小马扎听我慢慢道来： 138亿年前，那一团体积有限（可以想象成网球大小），密度温度极高的“东西”爆炸了。这绝对是宇宙有史以来最重要的一件事情，因为这次爆炸，不仅诞生了你和我，还产生了时间和空间。大爆炸的那一刻，宇宙，诞生了。 大爆炸之后的整个宇宙是还是一片漆黑。随着宇宙越来越大，温度迅速降低，直到38万年后，温度终于低到一定程度，光子开始退耦。宇宙的第一缕光诞生了！ 宇宙的第一缕光便是宇宙微波背景辐射（CMB），这个的发现又是另一个可以让人会心一笑的故事，这里就不展开了。 宇宙的演化宇宙的演化 宇宙微波背景辐射，你看到的这个就是宇宙的第一缕光，它来自138亿年前，或者说来着138亿光年远的地方。宇宙微波背景辐射，你看到的这个就是宇宙的第一缕光，它来自138亿年前，或者说来着138亿光年远的地方。 “等等”，台下的听众不满意了：“我们是来听引力波的故事的，你扯什么CMB？”大家不要急嘛，宇宙中的任何故事都是一环扣一环，相互联系的。来，下面我们来次时空穿越，从那遥远的138亿年前，来到五亿多年前的地球。 那个时候的地球，热闹极了，有古生物专业的同学对这个应该很熟悉吧。那个时候被称为寒武纪，在距今约5.3亿年前，在2000多万年时间内陆球上突然涌现出各种各样的动物，它们不约而同的迅速起源，形成了多种门类动物同时存在的繁荣景象。寒武纪生命大爆发是古生物学和地质学上的一大悬案，目前对为什么生物种类集体出现甚至爆发还没有一个统一的解释。总之，那个时候生物疯狂地进化着，不适应环境的迅速被淘汰，更强的生物取而代之。在这段时间里，有些生物的眼睛进化出来了。下面我们隆重请出本节主角——奇虾小朋友出场！ 奇虾（Anomalocaris） 肿么样？奇虾是不是很Q很萌？可不要被它可爱的外面所欺骗哦，它身长可达两米，非常凶猛： 引用自百度百科： 它有一对带柄的巨眼，一对分节的用于快速捕捉猎物的巨型前肢，美丽的大尾扇和一对长长的尾叉。它虽不善于行走，但能快速游泳。25厘米直径的巨口可掠食当时任何大型的生物，口中有环状排列的外齿，对那些有矿化外甲保护的动物构成了重大威胁。这是一种攻击能力很强的食肉动物，它的个体最大可达2米以上，而当时其他大多数动物平均只有几毫米到几厘米。 奇虾作为当时海里的霸主，能够统治海洋几千万年，除了他的强大的身体之外，还得益于他头顶那对黑溜溜的大眼睛。要知道，在寒武纪，眼睛才开始进化，很多生物没有眼睛呢（可能只有感光细胞），有些生物虽然有眼睛，但是因为进化不够完全，所以视力很模糊，只能看到隐隐约约地看到环境物体的轮廓，所以当捕食者朝它靠近时，它完全反应不过来。奇虾，作为成功的捕食者，在这场“雷达军备竞赛”中一直遥遥领先，它相对于当时的大多数生物，率先进化出了，可以真正“看到”东西的眼睛！ 眼睛的发展本身是一个很复杂的课题，它游一开始的那些感光细胞开始进化，逐步逐步形成了类似于现代生物的那种眼睛。我们姑且把奇虾小朋友作为第一种有“复杂”眼睛的生物。 大家来算算： 138亿年前：第一缕光 45亿年前：地球诞生 36亿年前：地球生命诞生 5.3亿年前：有眼睛的奇虾终于可以看到存在了一百亿年的光 那个时代的生物，从某种角度上来说，是值得骄傲的！他们作为第一批地球生物，看到了那温暖明媚的——光！从此，视觉成为了许多生物，包括人类的最重要的感觉之一。 好了好了，让我们回到物理，回到时空，回到引力波当中来。其实，我在生活中，被很多次地问过：你们探测这个引力波有什么用呢？每次我都可以回答得很好，哪怕对方完全是物理零基础的文科妹子，因为有时候我不讲物理，我讲这个奇虾的故事。 引力波用粒子的角度去理解就是引力子，和光子的理解方式类似。但是不同于光子在宇宙38万年诞生后才产生，引力子早在宇宙大爆炸之后仅仅0.0000....0001（里面35个0）秒就先退耦了，存在于这个宇宙中，这也被称为原初引力波。 之后的一百多亿年的时间里，除了那些原初引力波，宇宙中任何物体只要运动，都会辐射引力波。两个黑洞共舞会释放引力波，超新星爆发会释放引力波，月亮绕着地球会释放引力波，悟空挥动起金箍棒来也会释放引力波，你在路上和心仪的妹子擦肩而过时候，除了你的砰然心动，你，还是在释放着你的引力波。 对啊，你说对了，引力波就是另一种光，这种“光”的本质是时空的波动，但是还是可以把它理解成除了电磁波（光）之外的令一种光。 神说：要有光。 于是奇虾在133亿年后看到了第一种光。 138亿年后 今天，或者说即将，我们就可以看到第二种光！ 这绝对是继奇虾同志之后五亿年以来最重要的时代！ 这个“即将”是多久？业内普遍认为引力波将在4年内被探测到，同学们啊，才四年，其实就算预计的四年内探测不到，那引力波被探测到也是这个时代要发生的事情。作为恰巧生处于这个时代的每一个人，都应该为这个时代而骄傲，为人类而骄傲，为地球生命而骄傲。这个时代的地球人类，代表着地球生命，可以骄傲地宣布：我们不再失明，我们看到了，我们看到了那第二种光！ 这里想插一句，小时候特别喜欢看圣斗士。小学时候经常被里面的什么小宇宙第六感什么的撩得亢奋。是的，引力波探测到了后，人类就会拥有正真的第六感，那种感知时空涟漪的能力。在科学上，人类的这种第六感，无疑是人类的一双“天眼”，可以窥探出许多我们之前看不到的东西，比如大爆炸之后38万年之前的宇宙，比如黑洞的并和等等。有了这双天眼，宇宙的很多奥秘便可尽收眼底！ 为什么业内普遍认为是四年内探测到？ 我会在后面章节具体说这个，这里先简单介绍下为什么。 说2019年可以探测到是因为引力波的主要探测器ligo在近几年可以完成升级，完成升级之后的ligo具有更高的灵敏度，结合天体物理的各种模型和数据，我们探测到引力波事件可以增加到几十次每年。如果那时还没有探测到引力波，那不是广义相对论出问题了就是天体物理的很多理论出问题 当然也有可能是我们工作没做好；） 另外我想提一下bicep2，其实bicep2的结果被普朗克数据否定也在预料之中。不过就算bicep结果被后来的普朗克数据证实，也称不上是探测到了引力波，只能算引力波存在的一个间接证据。直接探测引力波 主要是靠以ligo为首的几个大型引力波探测激光干涉仪。(本文为节选，全文请点击阅读原文查看） 作者: Jing Ming 导读：
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