引力波的发现竟能推测宇宙的产生

文／Kip Thorne

8月10-12日，世界科技创新论坛在北京会议中心举办，2017年诺贝尔物理学奖获得者、加州理工学院理论物理学教授Kip Thorne出席并演讲。

以下是演讲全文：

13亿年前在一个遥远的星系，两个黑洞围绕着旋转产生了引力波，在它们一起旋转过程中突然之间出现了碰撞，然后它们会就出现了引力波的大爆发。那么这个引力波爆就在整个的星系和宇宙中穿行。在我们所有的这个银河系已经穿越所来自的银河系，进入到广大的宇宙，距我们13亿光年。也就是光穿梭了13亿光年之后一直到5300年前，当我们的祖先和类人猿一起出现在星球上的时候，这些引力波就进入到我们的银河系，2015年9月14日到达地球，先是在一个半岛登录，在地球上所有的物质都不会影响到引力波，被我们LIGO测到。他们通过信号的测试，7分钟之后到达了华盛顿之后的LIGO测试仪。整整5个月1000名的科学家和工程师紧密合作，来自欧洲同事的支持分析这些数据，确保我们看到的真正的是引力波。

那么，其实我刚才是这样描述一个引力波的发展，就是我们其实引力波的监测非常复杂。因为我们要确保不是其他的东西会影响到我们的探测仪，所以我们有10万条数据渠道是去分析在我们的监测仪当中发生了什么，以及环境当中发生了什么，5个月的分析之后，我们彻底确信监测到的就是引力波。2016年2月11日的时候跟全世界宣布这个结果，就是我们发现了引力波，全球各地纷纷作为头条报道，各个主流媒体都报道。

我们如何测试到引力波？这从爱因斯坦开始讲，1916年的时候爱因斯坦就使用了自己当时比较新的这个非常新的相对论的理论，预测引力波的存在，并且描述了引力波是什么。然后他说：引力波是什么？它是有一个对空间的挤和拉。我们可以用这种，你想象一下空间是3D情况下颗粒情况下自由落体形成空间，在一个方向被拉扯，一个方向被挤压。引力波的方向和空间的平面是垂直的，50年来大家觉得说要测试到引力波是不可能的。因为这些引力波是它的这个发射源非常弱，我们的技术不够。但是1960年发生了变化，我们发现引力波的来源非常强，但是我们之前不知道。比如说有种子芯，黑洞的碰撞，技术发生了变化，有激光，超级计算，这样子的话，我们就可以觉得监测引力波。一开始时候，Wision开始做引力波的措施，我自己也在美国加州理工学院做测试。

我们描述一下什么是引力波，世界上只有两种波在宇宙中可以传导，带来远处的信息。一个是电磁波，一个是引力波。电磁波是什么？就是电磁场的震荡在随着时间的变化，在空间中传播。那么引力波它是我们说时间、空间这样一个本身的波动，那么电磁波它是由什么造成的？是在不断运动的带电量的粒子形成的，而引力波是巨大质量的物体产生，比如说黑洞。电磁波是很容易被吸收，很容易被散射，而引力波是没有办法被这个散射或者是吸收的，即使是在宇宙这个早期的黑洞碰撞的时候也不会被吸收。

这两种波的差距因为我们注意到这种差距，所以很多的引力波是没有办法以电磁波的方式监测。那么引力波它是这个空间的振动产生，而不是电场的震荡产生。这两种的放射完全不一样，而当时，但是我们在1970年代的时候对宇宙的了解来自于电磁波，引力波的到来可以让我们对宇宙有一个全新的看法。1972年的时候，Rai Weiss发明了LIGO的技术，就是引力波监测技术。他写了一篇论文，描述了声音源，也就是LIGO面临的声音源，如何消除杂音，计算了一下你的这个引力波测试时候，你可以有多少的这个敏感度。他说如果把监测器的臂长做到几十公里可以监测，引力波概念是什么？东西方向，挂起来，然后南北方向还有两个镜子，当有引力波时候会把一组波拉开，一组波挤压。那么下一个引力波来的时候会把第一组的波挤压掉拉开。我们可以有这个激光的分光器来测试，通过激光的干涉效应来测试引力波。这一点非常有意思，我们可以用一个非常简单的方式解释一下我们看到的这种波的粒子有多小。

如果说比如镜子之间分开那么多公里，先从1厘米开始，1厘米除以100是头发的直径，再除上100是光的波长。再除上10万，就可以获得原子的直径，再除上10万，你就可以获得一个原子的核子的直径，再除上1000，你知道镜子洞的一个距离是多少。我非常喜欢这个比方，我研究他的论文之前我会觉得这个人太愚蠢太疯狂了，我们不可能测试这么小的距离。我跟他也讨论过，会发现真的有可能看到这么小规模的变化，我自己当时决定要开始学理论物理，尽力去帮助Rai Weiss和他的同事实现对引力波的监测。我当时就相信确实是可以看到，但是很显然我们是需要这个科技的不断进展才能检测到引力波。

我再来举个例子，一个非常有意思的例子，也是我自己的学生，我的博士后的学生在20、30年的时间里面做出来的一个研究。是什么？根据量子力学，世界上所有的一切都是在振动的，至少是以一种非常小规模在振动，包括电子，原子中的电子，电子不断振动和迁移，你没有办法说这个时刻在哪里，只能说可能在哪里。同样40公斤的镜子，就是镜子中的质量点，质量点也是不停的振动，振动的量其实是比我们预计能测到信号强度还要大，但是两到三年后。有史以来第一次在LIGO在未来两年可以看到以人的规模大小的物质产生量子力学这种运动。经典不能藏量子信号，用的是一种无损技术，通过镜子的振动观测到引力波，而不会损失到量子信号，和量子拓扑学、通信学、计算学有紧密相关的联系。我们想出一个设备，我的学生是一个前沿，我们其实操控振动的一个可能性的分布。我们是作出了这些镜子的量子振动的概率分布。我们看到光的分布，避免镜子的本身振动使得没有办法抓住引力波的量子信号，这是一个非常了不起的技术。而且今年，我们的这个LIGO第一步这方面的突破已经实现了。

LIGO本身是从1972年开始建立的，已经有43年想去追踪引力波。从1975年-1994年我们做一些研究。然后1972年-1994年做技术的开发。BarryBarish是一个LIGO的主任，是一个高效的领导人，1995年之后成为我们LIGO的主任，他推动了很多的合作。因为合作对这个解决复杂的问题非常重要。其中涉及到1000多个科学家，80多个机构和16个国家，包括中国。涉及到两代的引力波的监测仪。我们就是一个初级的监测仪和现代的先进的监测仪。2015年9月14日第二代监测仪开始第一个引力波搜索，信号进来了。我刚才也讲了。

我们可以来比较一下这个信号的波的特性。这个是灰色的部分是我们消除了噪音之后的波，大家可以看到，它是一个时间，随着时间变化，这个镜子一方面是拉一方面是挤，这是纵轴显示的。我们把波形和计算机的比较之后会发现，这个是刚才我也讲到的是13亿光年前的这个，它是有两个黑洞撞击形成，一个是太阳质量的2900亿倍，一个是3600亿倍，碰撞合并，最后是太阳质量的6500万倍，这样13亿光年前的事件变成了引力波。有三个太阳，两个太阳合并之后变成新的一个太阳，发出引力波。在1/10秒的过程中，动量能量是把我们相当于什么？就是我们的宇宙当中的所有的星系的加在一起的50倍，但是只有1/10秒时间，非常了不起。

什么产生了动量？要了解黑洞，是由空间的弯曲造成的，可以想像是一个黑洞的轴面，是一个二维的平面，放在一个3D的空间中，看一下表面在3D空间中的形状，也就是从一个高维度的角度看2维的物件，现在有两个轨道，这个蓝色显示在黑色周围变慢。黑洞不停旋转，空间的形状以及时间的这个速度，它也会碰撞，那么然后就会产生一个巨大的浪，就好像海浪一样。这就是黑洞的碰撞，巨大的海浪就产生了我们的现在可以观察到的引力波。

我们从第一次之后又看到五次的黑洞碰撞导致的引力波，最有意思的两个种子芯的碰撞。看一个动画，这两个种子芯，每一个是这个，它之间的浓度是原子动量浓度的20倍，碰撞之后产生一个巨大的火球。那么然后会放出各种各样的波长的电磁波，这是我们可以检测到的。

首先我们看到比如说中子合撞之后我们LIGO测试到引力波，这是天空的一个地图。LIGO只能得出天空的位置，它这个是两个绿色区域可能会出现碰撞。但是几个礼拜之前还有另外一个，第三个引力波的测试就是Virgo，是法国、意大利、匈牙利、波兰合作测试的，有三个LIGO之后，就会发现一个小小的深绿色的区域，是在碰撞之后1.7秒，就会看到这个天文学家就会看到伽玛暴，可以用过这个伽玛暴射线的望远镜，就区划出蓝色的部分。接下去几个月看到远红外，来自于一个具体的星系，这是浅蓝色的部分，这是天文学中合作最为广泛的研究，一共15%的天文学家参与了碰撞的研究。

我们通过比较，这个不同的比如说电磁波的放射和引力波的放射，使用了很多的重金属，包括金子，铂金，产生的量几乎等于地球上所有黄金的储量。到2030年我们可以进一步改善我们的LIGO的测试仪，在印度、北美、日本都会得到改善，也许其他地方也会出现LIGO。

现在LIGO的敏感度，会比现在好很多，敏感度会高非常多。可以看到整个宇宙追溯到很多时间以前，差不多银河系出生的时间，我们会相信出现很多的令人震惊的发现。2030年会有四种不同类型的引力波，来自不同波的时段或者说波的时代，因为它有不同的波形的特点。

一个就是我们有基于基地的引力波，它是在几微秒的时间内产生的引力波，另外其有LISA是几分钟的引力波的爆发。我希望中国能够在对地和对空方面能做出更多的贡献。另外还有一个POSA是时间断裂，研究的是几年甚至十几年，就是宇宙微波背景的偏正光，在我们的天空当中，这个是在宇宙形成初期的这个引力波造成的，它是会和我们几百万年前甚至几亿年前的时空的碰撞而产生的。所以，到2030年甚至以后更长的时间，我们会做的最令人震惊的事情是对宇宙的探索。当宇宙刚刚还不到1秒钟的这个一万分一秒的时候，电磁力还不存在，当时的物理和现在不一样。一秒的一万亿分之一的时候，电磁力会出现，物理会发生变化。我们期望或者是认为这是以泡沫的状态出现。如果真的这样的话，这些泡沫当中，这个就会出现比如说水分子出现，水滴出现，在每一个泡沫当中有一个电磁力，根据理论，这些泡沫是以光速在扩张，可以碰撞，出现引力波。那么随着宇宙是不断扩张，这些引力波越来越长，越来越长，越来越长，现在这些引力波的长度已经是LISA是可以测试的，我相信2030年的时候LISA可以看到或者是电磁产生的过程，通过引力波的分析。

更有意思的是看一下宇宙是怎么出生的。引力波是唯一一种形式的放射，是可以具有非常大的穿梭力，从宇宙出生的一瞬间到现在，这个过程中不会被吸收，也不会被散射的，即使高温、高热的环境中，宇宙怎么沉重？一开始的时候信号非常弱，有一个所谓的爆涨时期，就是一开始的最开始的时期，有强的理论证明这个爆涨时期，那些是有一个把各种波放大的过程，我们这个通过偏差政府光的技术可以看到这一点，通过LISA在2050年的时候我们讲宇宙大爆炸，这个调查是可以出一些结果。所以通过引力波的研究，我们可以知道，宇宙是怎么产生的，以及这个爆涨时期的发展。

作为一个理论物理学家，其实我们一直觉得这是我们能做出的最大的贡献，我们能获得，我是非常期待在未来能够看到这些观察的数据，是和我们的这个关于比如说经典的量子力学产出一些非常不同，完全相反的一些理论。我也是希望能够推动这些新的观察能够让我们用全新的角度看待经典的量子力学和量子研究。