特别放送｜引力波事件到底牛在哪？

万维钢

北京时间10月16日晚上十点，也就是昨天晚上，美国国家科学基金会召开新闻发布会，宣布了一个双中子星合并的引力波事件。这是世界好几个探测器通力合作的一次探测，而且特别值得一提的是中国的“慧眼”卫星望远镜也在其中起到了关键作用。

引力波是这几年特别热门的一个科学新闻关键词，还刚刚得了2017年诺贝尔物理学奖。昨天的事件全世界的天文学家都激动了，但是一般人的确不太理解这为什么值得激动。微博有人说“每个字我都认识，但不知道啥意思”、“以后如果不是发现外星人，请不要搞这么大动静”……

特别放送｜引力波事件到底牛在哪？

所以我想告诉你这件事到底牛在哪。这么说吧，费曼有一次评论麦克斯韦电动力学的意义，是这么说的：“从人类历史的长远观点来看……几乎无疑的是，麦克斯韦发现电动力学定律将被判定为19世纪最重要的事件。与这一重要科学事件相比，发生于同一个十年中的美国内战，将褪色而成为只有区域性的意义了。”

昨天宣布的这个引力波事件不能跟麦克斯韦的发现相提并论，但是我们大概也可以说这是2017年十月份世界上最重要的事件 —— 本月其它的新闻，比如华为发布新手机，都只有区域性的意义。

那引力波事件到底有啥意义呢？我给你说四点。咱们从小往大说。

4.“缩地成寸”是真的

我们看什么武侠、玄幻小说，经常说有一种功夫叫“缩地成寸”，也就是能把很远的距离变得很短，可能几万里、一步就迈过去了。这是拿物理*空间*开玩笑。

但是爱因斯坦说，物理空间真的可以变短。你大概早就听说过，根据狭义相对论，高速运动的物体的长度，在低速运动的旁观者看来，就会显得短一些。但是请注意这只是这个物体相对变短了，而不是空间本身变短。想要让空间本身的尺寸发生些许变化，就必须动用广义相对论效应。

引力波就是这样的效应。

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用一句话概括广义相对论，就是“时空告诉物质怎么运动，物质告诉时空怎么弯曲”。两个大质量的天体在很近的距离上绕着对方旋转，速度越来越快距离越来越近，它们就会给周围空间带来一个“涟漪” —— 这就是引力波。

引力波是空间本身的波动！这就意味着，当引力波传到你这里的时候，你周围空间就会发生这里变短了一点，那里变长了一点的情况！

得了诺贝尔奖的那个引力波探测器 LIGO 之所以厉害，就是因为它抓住了“缩地成寸”的“实锤”。

那我们这里的空间到底因为引力波而变长和缩小了多少呢？如果是4公里长的一段距离，大概被改变了10^(-18)米 —— 这个长度大约相当于一个质子的直径的千分之一。而人头发的宽度，大约是这个长度的十万亿倍！

这么小的变化，居然就被探测到了。

3.实验精度之高

物理学家不可能用尺子去量这个距离。事实上就算你真有一把无比精确的尺子也没用，因为既然是空间本身被缩短了，你的尺子也会变短，根本量不出有什么变化。

物理学家的办法是用光。如果一段距离变短了，那么光走过这段距离的时间就会变短，用这个原理行吗？还是不行，因为变化实在太小根本探测不到。真正的办法是利用光的干涉。

LIGO 探测器有两个“手臂”，长度都是4公里，我们要测量的就是这两条手臂的长度变化。两条手臂互相成90度角，这样等引力波来了，因为它们不在同一个方向，就不会一起变长或者变短，这样你只要看看两条手臂长度有什么差异变化就行了。

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（LIGO 探测器实景图）

物理学家把一束激光用分光镜一分为二，让它们沿着探测器的两个手臂分别前进。两个手臂的终点处各有一面反光镜，再把两束激光反射回来。两束光再经过一次折射，共同出现在一个屏幕上形成干涉条纹。

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如果两个手臂的长度绝对一样，两束光走过的距离就应该完全相等，它们再次相遇的时候就应该形成完美的干涉 —— 也就是有的地方互相抵消，有的地方共同加强。

但是如果手臂的长度发生任何小小的变化，干涉条纹就会对不上。

所以，你要做的就是把仪器调好，让干涉条纹清清楚楚，然后等着。等到条纹突然对不上了，你就知道手臂长度一定发生了变化！那就有可能是一次“缩地成寸” —— 也就是引力波事件。

这个道理说着简单，要做到可就太难了。LIGO 探测器的每条手臂都是4公里长，但是这个长度还远远不够，所以得让光从中来回往返400次，等于增加长度。我估计确保两条手臂一样长并不算太难，因为并不需要完全一样长，相差几个整数波长也是可以的，只要慢慢调到一个完美干涉条纹就行。

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最大的难点，大概是怎么确保镜子的稳定。如果镜子稍微震动一下，干涉就没有了 —— 那你怎么知道到底是引力波来了让空间长度变化了呢，还是仅仅是镜子动了一下呢？

为了把一切震动都排除在外，在 LIGO 附近的汽车都不能开太快，限速是每小时16公里！就算排除了人为的震动，你还要考虑地球时刻都在发生小地震！所有这些因素都要探测和计算到。

为了去除震动的影响，物理学家实际上是做了两个探测器，一个在路易斯安娜州一个在华盛顿州，要求只有两个探测器同时都感知到的情况下，才可算是一次值得重视的事件 —— 总不能同时有两辆车在两个探测器旁边按照同样节奏跑过吧。

得下这么大的功夫，才能探测到引力波。

物理学的真正进步往往是实验推动的，而实验背后的技术手段，才是最值得赞叹的东西。

如果你对实验物理学家的英雄事迹感兴趣，现在有本书叫《引力波: 2017年诺贝尔物理学奖获奖LIGO团队的“巨星”故事》，作者是珍娜·莱文 (Janna Levin)，已经出了中文版，其中讲了科学家怎样克服重重困难建成了 LIGO。

费这么的大劲，物理学家可不仅仅是为了证明爱因斯坦是对的。

2.物理学家多了一“感”

用中国人爱说的词儿，有的进步叫“取得新成就”，有的进步叫“开创新局面”，有的进步叫“新的历史起点” —— 引力波事件必须得算“新的历史起点”。

这是因为引力波等于是让物理学家多了一个“感”。这就好比说，以前物理学家都只能“看”，只有视觉 —— 而现在多了一个“听觉”，还可以听了。

物理学家探测宇宙的主要手段是用光波，严格地说是电磁波，包括可见光、x 射线、伽马射线、无线电波等等，偶尔还可以用中微子。但是如果有一种宇宙事件既不发出电磁波，也没有什么中微子，那你怎么探测呢？

比如黑洞就是这样。在此之前，物理学家只能用间接的手段判断哪里有黑洞 —— 比如说黑洞周围天体的运动轨道会因为黑洞而改变，如果黑洞周围有物质、这些物质向黑洞掉落的过程中可能会发出电磁辐射。一方面这种探测不是直接的，另一方面，如果黑洞周围恰好没有别的可见物质，那就无法探测了。

而有了引力波，你就有可能直接探测到黑洞。引力波这个工具已经把物理学家对黑洞的探测整整推进了一大步，请看下图 ——

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图中数值是一个黑洞相当于多少个太阳的质量。在 LIGO 之前，我们能明确知道质量的黑洞就只有一二十个，而且还都是比较小的。而 LIGO 刚出来两年，就已经找到了至少确定了九个黑洞，而且其中大多数都非常大。

宇宙中黑洞分布的情况是怎么样的？黑洞的质量一般都是多大的？黑洞和黑洞合并这样的大事件是否经常发生？这些问题的答案就得靠引力波告诉我们。

再进一步，如果将来进一步提高引力波探测的精度 —— 已经有计划在外太空弄一个引力波探测器 —— 物理学家也许可以探测到一些很小的黑洞。这些小黑洞的意义重大，它们仅仅是以质量的形式待在那里，无法用别的方式探测到 —— 那么，它们是不是“暗物质”问题的答案呢？

好，那么昨天发生的这个双中子星合并的引力波事件，不涉及黑洞，它的意义在哪里呢？也许它最大的意义是 让物理学家明确知道，现在自己的引力波探测手段是可靠的。

之前，我们所有的引力波事件都是黑洞事件，而黑洞是无法用别的手段探测的 —— 这就等于说，全班同学这么多人，只有你算出来一个答案，那你这个答案对不对，是不是瞎蒙的，谁知道呢？要知道引力波引起的空间变化也实在太小了，万一你那个仪器有问题呢？

现在中子星合并这个事件，不但会导致引力波，还会有电磁波的辐射，而电磁波辐射是可以用别的手段探测到的。这就给了全世界天文学家一个交叉验证的机会！你用这个方法测到了，我用完全不同的另一个方法也测到了，咱俩一对数结果是一样的，那就证明咱俩都是对的。所以如果以前还有人质疑的话，现在大家应该都放心了。还要再强调一句，咱中国的卫星，也参加了这次交叉验证。

而这一切都是刚刚开始。历史上每个新的探测手段出来都会带给物理学家新的物理发现，现在有了引力波这个多出来的一“感”，物理学家将来还不知道会有什么惊人的发现。

不过现有的发现，已经足够了不起了。

1.这个宇宙喜欢“搞事情”

如果把我们这个宇宙比喻成一个小城市，而你是这座城市的市长的话，你可能会非常非常操心。你的市民很喜欢搞事情。这种事情可不是什么今天谁家孩子考上大学，明天哪个公司上市之类的小事儿，而是类似明天有个公司发布新产品，当天就把周围好几个公司给吞并了，瞬间产值比全市 GDP 还高好几倍这种不可思议的事情。

2015年 LIGO 第一次探测到引力波，是一个质量相当于太阳的29倍的黑洞，和一个质量相当于太阳的36倍的黑洞合并。这两个黑洞在合并前的距离只有数百公里，互相绕行的速度接近了光速。合并之后，变成一个质量相当于太阳的62倍的大黑洞 —— 那剩下的那差不多3倍太阳的质量哪去了？变成了引力波的能量！

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两个黑洞合并那一瞬间释放的能量，相当于天上突然多了10^21个太阳。

所以如果宇宙是一个社会的话，这个社会里的人喜欢玩大的。他们的生活特点是今天你爆一个明天我爆一个，动不动就是波及整个社会的大事件。

天文学，是个充满刺激的科学。