三位科學家憑藉著引力波獲得2017年諾貝爾物理學獎，到底是個啥？

207年10月3日，2017年諾貝爾獎物理學獎頒給LIGO科學合作組織 ，以表彰他們直接探測到了引力波。

引力波是啥？發現它有什麼用？為什麼探測到它值一座諾獎？來看看這篇史上解釋引力波最清楚的文章吧：

十一長假，我們（除了圍觀諾貝爾獎以外）做點啥好呢？

重溫經典愛情片是個不錯的選擇

圖片來源：《泰坦尼克號》

看著這一幕歡快的雙人舞，我忍不住長嘆一聲：哎，你們從這一幕看出了什麼？

完全入戲的朋友A：眼裡唯有對方的純真愛情。

重點跑偏的朋友B：轉到最快撒手就神作了。

念物理系的朋友C：微不足道的引力波。

……

「哈？你在說神馬？」

引力波是啥？嗯…能吃嗎？

封圖來自 SXS, the Simulating eXtreme Spacetimes (SXS)

傑克和露絲之所以會互相吸引，除了因為愛，還因為質量。在愛因斯坦的描述中，有質量的物體會使它周圍的時空發生扭曲，物體的質量越大，時空就扭曲得越厲害。

如果你將時空看成一張大橡膠膜，然後往上面放一個露絲，那麼她的質量就會把橡膠膜往下壓，在旁近放一個傑克，你可以看到這個景象：

由於請不起這倆明星，這裡只好用鋼球替代一下了。圖片來源：apbiolghs/youtube.com

可以看到，露絲球和傑克球分別造成的時空彎曲，讓他們倆逐漸滾向了對方並最終親密接觸（哪裡不對）。當然了，被另一半問到「你為什麼被我吸引」時，如果你回答「因為你重」，後果自負。

太陽和地球的關係也是一樣道理，只不過太陽的比地球質量大得多，造成的時空扭曲也更大，所以看上去，地球在繞著太陽旋轉——按照廣義相對論的思路，「引力」只是時空扭曲必然帶來的現象。

由於也不敢請這倆星球，也只好用砝碼和玻璃珠替代一下。來源：apbiolghs/youtube.com

那麼，當有質量的傑克和有質量的露絲加速跳起轉圈舞的時候，他們周圍的時空會發生什麼？

圖片來源：Piled Higher and Deeper (PHD Comics)/youtube.

起伏，震顫，波浪……你可以用各種各樣的詞形容你在上圖看到的「時空擾動」。這種變化以波的形式向外傳播，用聽起來很厲害的說法講，就是「引力波」，換文藝點的說法講，就是「時空的漣漪」。

傑克和露絲跳舞所引起的那點漣漪更多只能被春心萌動的觀眾所感知，但質量巨大的系統，比如兩個黑洞或兩顆中子星快速相互繞轉，它們產生的漣漪可就厲害了——像這種緻密雙星併合過程，所釋放的能量，遠超太陽一生釋放的能量總和。而這麼大的能量，通常會集中在最後一秒內爆發——那一刻，整個宇宙中所有別的天體釋放功率的總和都及不上它，怕不怕！

兩顆中子星的併合過程。圖片來源：Our Universe Visualized

然而，顯然，不能吃。

但是！它能做的，超乎你的想像...

別傷心。儘管引力波不是什麼好料理，但它卻有著令人驚嘆的能力和性質——拜託，人家可是能以光速傳播時空擾動的誒！

如果一串引力波迎面通過你，那麼變高變瘦對於你而言將不再是夢想。當然，變矮變胖也一樣。在引力波的作用下，你會不斷發生拉伸和壓縮，你會先變高變瘦，再變矮變胖，再變高變瘦，再變矮變胖……像是這樣：

圖片來源：Markus P?ssel of Einstein Online.

當然，真實的變形幅度並沒有那麼大（幸虧如此）。即便是緻密雙星併合時產生的引力波，除非你就站在引力波波源附近，否則引力波只會把你的身高改變一丁點——大約是一個氫原子的100億分之一。

除了這種扭曲時空的能力，引力波還有一個特別令人著迷的特點——

高冷。

假設有一列引力波以平面波形式傳播，那麼它能在真空的宇宙空間中不帶任何衰減地永遠傳遞下去。只有碰到物質，比如半路迎來了一個你，它才可能會和你發生相互作用，而你能吸收一部分引力波攜帶的能量。

然而，這樣的相互作用實在是少得可憐。即便你能在宇宙中堆滿番茄醬，想要吸收掉1%的引力波能量，你的番茄醬牆需要大概 400萬億光年那麼厚——可觀測宇宙的尺度是1000億光年左右，因此你需要4000個滿是番茄醬的宇宙才能削弱引力波1%的能量。順便提一下，這個過程需要花上400萬億年，而從現今的模型推測，我們的宇宙年齡在138億年左右。

番茄醬：......我準備好了 圖片來源：pinterest.com

也正因如此，引力波可以被用作窺探宇宙深處的工具。正如露絲的裙裾甩出的香水味可以透露她不屬於三等艙，引力波也攜帶著關於波源的信息。如果人類能夠截獲這些信息，我們將能夠利用全新的手段來研究黑洞、中子星等各種天體，弄清發生在宇宙彼端的故事。

更重要的是，由於有幾乎不衰減的特性，它能幫我們洞悉整個宇宙的源頭——不是某段愛情，某種生物，某顆行星或者某個星系的起源，而是整個宇宙的起源。引力波的存在一經證實，我們將以前所未有的方式看到塑造宇宙的力量。而一旦尋找到合適的引力波，人們將能夠為大爆炸理論和宇宙膨脹理論找到有利的證據。

「同時那也將意味著我的預言又對了一個。」

想像一下在過去的所有時光，你對世界的理解都來源於道聽途說，直到有一天，你能睜開雙眼閱讀關於宇宙的故事。對人類而言，獲得探測引力波的能力，就相當於睜開了這樣一雙眼睛。

好，想像完畢。我們睜開這雙眼了嗎？還沒有。

直接探測引力波太！難！了！

愛因斯坦預言引力波存在已經是100年前的事了，但直到現在，科學家們搜集到的引力波存在的證據依然只是間接的。畢竟，直接探測引力波太難了——將剛剛用身高打的比方換成技術要求，這意味著引力波探測器要能夠檢測到約10^-21量級的長度變化。

這，能辦到嗎？

能倒是能。

20世紀90年代，麻省理工學院的萊納·魏斯（Rainer Weiss）想到了一個絕妙的點子：用激光的干涉來測量引力波。

簡單來說，一束激光在經過一個半透鏡後朝向兩個互相垂直的方向前進，各自撞上一面反射鏡，反射回來重新匯聚。理論上，只要反射鏡與半透鏡的距離精確一致，匯聚後的激光能夠由於干涉而相互抵消。而一旦引力波經過，激光走過的距離被改變，干涉現象也會因此發生變化，從而被觀測到。

這個點子後來受到了加州理工的著名引力學家基普·索恩（Kip S. Thorne）的關注（對，這老人家就是《星際穿越》的科學顧問兼製片人）。他發現在魏斯的方法上加些合理的改進，可能行得通。

於是，加州理工和麻省理工開展合作，主導了兩個激光干涉引力波觀測台（LIGO）的建設。LIGO呈現巨大的L形，每一邊都有4千米長。

位於華盛頓州漢福德的一台LIGO。另一台LIGO在美國路易斯安那州的列文斯頓。圖片來源：i2u2.

正常情況下，LIGO發出的激光相互抵消，探測器將接收不到光信號；但如果引力波經過，情況就有所區別了：

無論時空如何變化，光速是不變的。如果激光跑過的路程被引力波拉長或者壓短，激光通過該邊的時長就會發生變化，從而影響探測器的結果。理論上，測量到了這些變化，科學家們就相當於測量到了引力波。

果然是好點子對吧？

除了一點——從在附近疾馳而過的汽車到極其微弱的地震活動，從儀器的輕微起伏到人為的信號改動，多得要命的各色因素都可以成為影響引力波測量的噪音。這就好比要在極端嘈雜的聚餐現在分辨出用牙籤在杯子上敲出的莫爾斯密碼一樣艱難——這也是為什麼要在相隔甚遠的兩地各設置一台LIGO，兩邊同時觀測到一致的數據，才更能說明問題。

只是這樣還不夠。在LIGO和義大利的VIRGO引力波探測器進行聯合觀測前，一個3人的秘密小組成立，專門負責「搞破壞」：他們有可能會在觀測數據中人為地注入信號。

製造一個假引力波信號

由於，所有其他成員都對這一過程一無所知，這種被稱為「盲注」的手段能有效防止LIGO擺烏龍。2010年9月16日，LIGO和VIRGO同時探測到一個信號，方向大概來自大犬座。這個代號為「大犬事件」的消息立即讓LIGO科學合作組織大為振奮。大量的研究工作圍繞大犬事件展開，論文有待發表，新聞稿箭在弦上。

然後，盲注3人組出來宣布對此信號負責：大犬事件的數據，是他們人為放出的假信號。

儘管這種讓全人類空歡喜的事情簡直是欺騙感情消耗資源浪費時間，但這都是為了最大限度地保持小心謹慎。一旦LIGO宣布引力波的探測結果，將沒有任何辦法檢驗這一論斷。所以，LIGO科學合作組織必須採取一切手段來確認結果的真實性。至今的所有失望，都是為了在真正抓住引力波的那一天能夠足夠自信。

那麼，除卻各方面的干擾，LIGO探測到真正的引力波的機會有多大？

由於LIGO的設置所滿足的測量要求僅能用於測量鄰近星系裡中子星或黑洞併合產生的引力波，它每年能遇見的引力波事件大概在1/10000件到1件之間。也就是說，在想方設法排除假信號之後，研究者還需要足夠好的運氣才能等到引力波的降臨。

運氣？對科學家來說，那種東西可沒技術靠得住。在停止運行、升級許多新技術以後，更新的高新激光干涉引力波天文台（aLIGO）2015年正式投入運行。跟LIGO相比，aLIGO變得更加靈敏。在重新運行幾個月後，LIGO科學合作組織有了新的消息——

「我們檢測到了引力波。我們做到了！！」

2016年2月，在美國國家科學基金會召開的發布會上，LIGO研究者公布了aLIGO在2015年9月發現了一個引力波信號。這個信號源自兩個巨大的黑洞，他們經歷了漫長的繞轉，融合，通過引力波輻射能量，越轉越近，最終併合形成更大的黑洞。經過10億年的漫長旅行，這次併合產生的一小部分引力波信號抵達了地球。LIGO在15年9月14日探測到了，最終將它命名為GW150914。

英國的科學家們正在進行發布前的科普

朝聞道夕死可矣

劉慈欣的小說《朝聞道》中，掌握宇宙終極理論的外星文明「排險者」造訪了地球。在那個世界裡，尋找終極理論所必須的能量，將導致我們所在的宇宙毀滅；而為了多重宇宙的安全，他們又不能直接把終極理論的細節告訴人類。但是一位地球物理學家提出，可以繞過這個所謂的知識密封準則：

「 你把宇宙的終極奧秘告訴我，然後毀滅我。

事就這樣成了。他們用自己的生命，換取了短暫而永恆的領悟。

如果終極理論必將導致毀滅，那麼排險者是如何得到它的呢？在小說中，答案就是引力波。上一個宇宙尋找終極理論的努力引發了真空衰變，但是在最後關頭，他們將獲取到的知識編碼在引力波之中，發射了出去。排險者是我們宇宙中的第一個文明，也是唯一一個在引力波衰減到不可讀之前破譯了它的文明。

而現實中，站在排險者位置上的，也許其實是我們人類。

我們大概不會在真正的引力波里找到現成的終極理論。但是它所包含的信息，依然是創世的瞬間、黑洞的碰撞以及所有其他偉大的宇宙事件，甚至蘊含著引力的本質。而就像所有的信息一樣，它不會永遠存在下去。強大如LIGO的探測器，也只能探測到臨近的中子星和黑洞碰撞產生的引力波蛛絲馬跡；真正的宇宙歷史性事件還在逐漸遠去，引力波還在逐漸衰弱，宇宙還在逐漸膨脹，檢測並理解它的難度只會越來越大。

引力波和物質之間的相互作用極度微弱，因此它的衰減也是極度緩慢的。可是，我們並不知道宇宙產生一個文明需要多久。劉慈欣在《三體》中用黑暗森林理論來解釋費米悖論——為什麼我們看不到外星人，但是現實中，有兩個更加簡單的可能解釋：第一，智慧文明的誕生也許極端困難、極端罕見；第二，我們有可能是宇宙間第一批（甚至第一個）文明。

在這個意義上，我們也許將是最初和最後的人。宇宙並不在乎其間發生了什麼，它自會按照自己的規律運行；而我們誕生在了一個幸運的時刻，或許能在不久的將來目睹終極理論的誕生，甚至可能將是唯一親自見證這一瞬間的文明。宇宙最不可理解的事情在於它竟然是可以理解的，而倘若我們真的理解了它，那將何其有幸！朝聞道，夕死可矣；我們都將死去，但哪怕我們所創造的一切都將化為灰燼，我們依然能知道宇宙初生的那個黎明，和宇宙最終滅亡的那個夜晚。我們將憑知識超越時空——

而現在，我們又在這條道路上邁出小小的一步。

出品：科普中國 果殼網

作者：Calo

編輯：一個AI

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