解密引力波

夏杨

2016年2月27日，由未来论坛、清华大学“新世界-新视野”公众论坛、清华大学时代论坛联合主办的“解密引力波——时空震颤的涟漪”讲座在清华大学大礼堂举行。加州理工学院物理学教授、美国物理学会会士、LIGO（激光干涉引力波观测站）科学合作组织核心成员及引力波论文作者之一陈雁北教授为我们带来目前最为权威的引力波讲座。让我们一起来回顾一下陈雁北教授的演讲吧！

讲到引力波，开始要谈到的是时空这一概念。爱因斯坦理论中的引力是这样的：如果有一个有质量的物体，把它放在时空中，它就会让时空弯曲。

引力波是广义相对论的一个推论

1916年，爱因斯坦在他的广义相对论中第一次提出引力波。从类比的方法来看，引力波很相似于水面上的波动。当水面震荡的时候，它的震荡会以水波的形式传播出去。类似的，时空几何的振荡也会以引力波的形式传播。不同的是，在爱因斯坦方程中，引力波是按照光速传播的。

引力波对物质的作用是怎样的？

可以类比水波的图像。水波有一个波长，考虑在半个波长以内的浮在水面上的船。这些船随着水波上下运动，距离比较近的船，它们由水波导致的高度差就比较小，而距离比较远的船，由水波弓起的高度差就比较大。引力波也是很类似的现象，当两个自由下落的物体，发生引力波入射的时候，这两个物体之间的距离会产生变化。

更详细地说：引力波是一个横波，它影响的是跟引力波传播方向垂直平面之内的距离。沿着引力波方向的距离是没有变化的。垂直于引力波传播方向的平面上的物体，它们之间的距离会按一定规律变化。

引力波为什么在地面很难产生？

科学家曾考虑，引力波的物理效果是否可以被观测到？通过爱因斯坦的计算，他认为引力波是非常难产生的现象。产生足够大的引力波需要非常大质量的或者是非常高能量的物体以非常快的速度运动。

举例来讲，人类能制造的最大能量加速度可能就是氢弹的爆炸。假设历史上最大的一颗氢弹的爆炸，把它的能量全部转化成动能，用这个动能来辐射引力波，可以发现在爆炸附近1米处的物体引力波的振幅是10^-27，是非常微小的现象。连氢弹爆炸都不能产生足够大的引力波，这就说明引力波是很难在地面上产生的物理现象。

LIGO的仪器有多灵敏？

上世纪90年代，美国国家科学基金会资助了世界上第一个大规模的引力波探测项目，所谓的LIGO。LIGO有两个非常大的探测器，一个在美国的利威斯顿，一个在美国的汉佛。

探测器的灵敏度可以测量到10¹⁸米的长度。这个长度是什么概念呢？

如果将头发丝的细度降低1万倍，就是氢原子的直径，再减少10万倍，就是氢原子核的直径。而LOGO探测器可探测到的长度是氢原子核大小的1/1000，所以说LIGO探测器是非常灵敏的仪器。

LIGO探测器发现引力波

利用这个装置，在2015年9月14日，我们用这两个探测器分别发现了引力波。

我们分析出引力波事件是由两个黑洞碰撞导致的。它们两个的质量是36倍和29倍的太阳质量，最后形成的黑洞是62倍的太阳质量。通过波振幅的大小可以推算出黑洞撞击地点离地球的距离是13亿光年。

通过这个波形，也对广义相对论的推论进行了初步检验。

地面引力波探测还能发现哪些事件？

除了双黑洞的碰撞过程，地面引力波探测还可以探测各种各样的天文事件，比如双中子星的碰撞过程。

中子星也是很致密的星体，是很大质量的恒星燃烧尽以后形成的黑洞。比较大的星体演化的末态就是中子星。在LIGO看到双中子星碰撞的过程，对我们理解中子星的结构，探索伽马射线暴的根源是有指导性的。

另外，旋转的单个中子星，如果它不完全是球形的话，也是会发出引力波的。

LIGO还可以探索宇宙弦系统，也可能对宇宙大爆炸开始时产生的原初引力波背景进行探索。

今天的引力波探测只是一个起点

未来，我们会有多波段的引力波探测，说明今天的引力波探测不但是广义相对论和黑洞的直接验证，也可以说是新的天文学观测手段。

知识链接

地球围绕太阳运动会辐射引力波，在地日系统中，由于太阳几乎不动，地球就会以被拉向太阳的方式损失能量。那么，我们该不该担心地球在不长的时间内由于辐射损失掉进太阳呢？

答案是不会。地球围绕太阳运动中，由于引力波辐射损失的能量，只有一台市面上功率最小空调的1/4的功耗，相当于一台洗衣机的功率。因此，如果地球靠辐射引力波损失能量落入太阳，需要的时间远远超过宇宙的年龄！