引力波簡單圖解（10分鐘搞懂引力波）

2023-05-17 20:28:02

昨天晚上10點，全球數十家著名天文機構同時發布了一個重大消息：人類第一次直接探測到來自雙中子星合併的引力波。

可能有人會說，引力波不是去年2月就已經被探測到了嗎，怎麼又來宣布了？

這是因為，這兩次引力波發現事件的性質並不一樣，因此意義並不相同。如果用一句話簡單地概括，就是之前那次，人類只是感覺到了引力波的存在，而這次，是正兒八經地「看到了」。

今天，眠眠就給大家簡單普及一下引力波，以及引力波觀測的知識，放心吧，會用最通俗易懂的語言來講。

01 引力波是個啥？

如果把我們的宇宙比作一座巨型公寓樓的話，那麼裡面各種完全不同的物質就好比是脾氣完全不同的租客，怎樣能讓這些「租客」們和睦共處呢？

這座宇宙公寓樓給出了四條最基本的規定，所有租客都必須按照這四條基本規定來。是的，這就是宇宙中最基本的四種相互作用：「引力相互作用，電磁相互作用，強相互作用和弱相互作用」。

這四種相互作用，也被稱為「自然界四力」或者「宇宙基本力」。直到今天為止，宇宙中任何被觀察到的，一切關於物質的物理現象，在物理學中都可藉助這四種基本相互作用的機制，來進行描述和解釋。

這四種相互作用中，電磁力、強力、弱力這三種都在上世紀中期時就已經被探測並證明存在了，只有引力的作用一直存在於理論中，關於它存在的證據：引力波，卻一直沒有被發現。

這是為什麼呢？

因為引力作用實在是太弱小了。按照四種基本力的相對強度：如果把引力的強度定為1的話，那麼，哪怕名字裡帶個「弱」的弱力，都有10的25次方那麼強大。而電磁力和強力則分別為10的36次方和10的38次方那麼大。

所以不比不知道，一比就會發現，引力波的作用實在太微弱了。

那麼，引力波到底是個怎樣的波呢？

在愛因斯坦的《廣義相對論》中，我們可以用一種比較形象的方式來解釋：時空的彎曲，或者說，是帶質量的物體進行加速度運動而產生的波。

如果把時空想像成一張巨大而平整的沙發，那麼你坐在沙發上，重量自然會導致沙發凹陷。如果在你旁邊放一個小球的話，那麼小球也會因為你的重量滾向你所造成的凹陷中。

並且，體重越大的人，對沙發製造的凹陷也越大，效果也越明顯（放心吧，眠眠不是叫你們減肥……）。

另外，如果把你坐上沙發的那一瞬間，通過超高速攝影一幀一幀慢放的話，你會發現你對沙發製造的那個凹陷，是逐漸從內向外擴散的，這種擴散呈現出一種波動形式。

如果用更明顯的例子的話，當你把一顆石子投入平靜的湖水中，會在石子入水的地方為中心，產生一圈一圈的漣漪。這種漣漪，就和引力波的作用有著異曲同工之妙。

顯然，如果以宇宙時空作為背景，那麼一個石頭，或者是一個人所造成的引力波，幾乎可以忽略不計了。更不用說被遠隔著幾十億光年之外感知到了。

這就是說，只有那些龐大到不可思議的天體，在產生驚天動地的天文現象時，所釋放出的引力波，才能大到被遠隔十數億光年之外的我們捕捉到。

比如，超新星爆發所產生的引力坍縮和伽馬射線暴，比如FAST前陣子發現的脈衝星，比如雙星系統的合併，像雙黑洞的合併（去年那次），或是雙中子星的合併，也就是昨天剛剛發布的這次引力波觀測事件的起源。

02 怎樣捕捉引力波？

事實上，即便是黑洞合併這樣震驚宇宙的大事件，所產生的引力波信號抵達地球時，其強度也已經微小到微乎其微。

究竟有多小呢？

引力波振幅的數量級在10的負21次方以下，只有氫原子的100億分之一大小。

振幅小到這個尺度的波動信號，不要說蝴蝶振動一下翅膀，就是蝴蝶放個屁都相當於一場海嘯……

那麼黑科技LIGO是怎樣捕捉到引力波的呢？

LIGO的全名是Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，中文意思是雷射幹涉引力波天文臺。是的，從名字裡就能看出，LIGO之所以能捕捉到引力波，所運用到的就是光的幹涉原理。

幹涉原理雖然是初中物理知識，但相比很多人都忘了，沒事我再幫大家回憶下，兩束光波在傳播時如果互相重疊，就會出現新的波形。如果是峰谷疊加的話，新波形就會更強（下圖左），如果峰谷相抵的話，新波形甚至會消失（下圖右）。

體現在光強上，最亮的地方會超過原先兩束光的光強之和，而最暗的地方光強有可能為零，這種光強的重新分布被稱作「幹涉條紋」。

在引力波的影響下，就會出現微小的光波波形變化，這時光探測器就能感應到幹涉條紋的變化。最理想的狀態就是從無到有，原本是完全互相抵消的，如果被引力波影響，就會形成幹涉波形圖樣。

看起來似乎矮油，不錯哦，然而實際操作起來卻非常非常困難。因為地球上本身存在太多的電磁噪音幹擾，這些幹擾本身比引力波要大得多。這怎麼解決呢？

除了一些頂尖的抗幹擾方式之外（比如新LIGO那個增強10倍精度的懸垂式穩定器），LIGO還有一個解決之道，那就是，我複製一個自己。

真實的LIGO系統，其實是有兩個完全一致的設備，分別位於華盛頓州的漢福德和路易斯安那的利文斯頓，兩地相距3000多千米。這樣一來，就可以通過超級計算機比對兩者採集到的數據，並通過算法來排除許多幹擾信息。

因為，同時能影響到相隔這麼遠的兩地的波動信號，基本上必然來自太空，這樣把地面人為的信號都去除掉，再篩選起來就容易多了。

除了這些之外，LIGO這套設備本身也已經堪稱是人類史最精密的儀器。

首先，為了能夠獲得更清晰的幹涉波形，需要雷射的強度足夠大，也就是功率要大，那麼增強雷射功率的方法，就是讓雷射通過許多鏡面進行多次來回反射。

LIGO的每一面鏡子，都有著超乎想像反射率，這些純二氧化矽打造的反射鏡，每300萬個光子射入，只有1個會被留下，其餘光子全部會被反射走。

另外，LIGO本身的雷射臂就有4公裡長，但這對於精度而言還遠遠不夠，雷射要經過400次反射，才能達到最終的強大功率，也就是說雷射臂最終長度是1600公裡，這樣驚人的長度才能實現最終的精確率。

是的，當你用引力波的振幅10的-21次方和1600km相乘時，最終得到的數據尺度大約是單個質子半徑那麼大，雖然依然是極小，但至少足夠我們捕捉到引力波的存在了。

03 這一次的引力波探測有什麼不同？

昨天公布的這次引力波探測事件，是兩個中子星合併時所釋放的引力波。而之前觀測到的那次，是兩個黑洞合併所釋放的引力波。

簡而言之，它們的差異有兩點：

第一點，是雙中子星合併，所產生的引力波信號更強。雖然中子星的質量比黑洞小很多，但是它們持續釋放引力波的時間要比黑洞長很多，可以達到一分鐘以上，而黑洞合併的引力波信號，通常只持續一秒。

嗯，持久就是好呀~

第二點，是雙黑洞合併時，因為黑洞的超大引力，任何光波都無法釋放出來，也就是說，這一事件是真正意義上的「黑」的，我們只能根據其他現象推測它產生了，但是無法真的「看到」。

而雙中子星合併就不一樣了，它不但會釋放大量的短伽瑪射線暴，還會發出巨新星輻射，也就是說，有大量的電磁信號會產生，會被我們的天文望遠鏡觀測到。

這也就是說，同時結合了引力波和電磁波，我們就對觀測有了一個雙保險加參照物，通過電磁波還可以準確定位到天文現象的位置。

嗯，黑洞可能大家都有所耳聞，那麼中子星（neutron star）又是個啥呢？

當恆星的壽命即將終結時，它內核中的氫、氦、碳等元素已經在百億年的核聚變反應中消耗殆盡。最終當熱輻射效應漸漸式微，所產生的壓力再也不足以支撐外殼時，就會發生坍縮，以及劇烈的爆發。

根據恆星的質量不同，從小到大最終會演變成白矮星、中子星或是黑洞的一種。

中子星的直徑一般是10-20公裡，但是每一立方釐米的物質便可重達十億噸，因此它的重量可以達到太陽的1.35到2.1倍之多。這也就是說，中子星的密度基本上跟原子核的密度差不多。

另外，中子星的自轉速度非常之快，可以達到一秒一圈。

大家可以想像一下，一個直徑20公裡，有兩個太陽那麼重的星體，一秒鐘就轉一圈，這是一種什麼景象……

正是因為自轉極快，中子星本身磁場又極強，在自轉時所產生的電磁波輻射每掃過地球一次時，都會形成高頻的信號脈衝，這種中子星也被稱為「脈衝星（Pulsar）」。就跟迪廳裡快速轉動的彩燈差不多……

值得一提的是，世界最大單口徑（500米）射電望遠鏡，位於我國貴州的FAST望遠鏡，一周前剛剛探測到數十個優質脈衝星候選體，其中6顆通過國際認證。

這也是中國射電望遠鏡首次新發現脈衝星。

上文裡我們也說了，脈衝星本身就是引力波產生的重要來源，也就是說，未來非常有可能由LIGO、VIRGO（相當於歐洲的LIGO）發現引力波的存在，再由FAST這樣的天文望遠鏡向那個位置觀察，最終發現脈衝星、中子星合併等罕見的天文現象。

這一次的中子星合併，就是這樣的故事：

8月17日，LIGO與VIRGO的三臺探測器先後接收到一個引力波信號。就在這之後僅僅1.7秒，NASA的費米衛星就探測到了一個伽馬射線暴。再之後位於智利的SWOPE望遠鏡在星系NGC4993中觀測到明亮的光學源。

這三者互相印證了一件大事在宇宙中的產生（其實已經是1.3億年前就發生了，只不過信號剛剛到地球……）

於是接下來的數個星期，全世界所有的著名天文臺全部將望遠鏡對準了這片區域，並爭先恐後地記錄下天文數據，也就是這兩顆中子星的前世今生：

距離地球1.3億光年的長蛇座星系NGC4993中，兩顆中子星彼此吸引著，越轉越近，最終它們決定合體，以獲得生命的大和諧……

在併合前約100秒時，它們相距400公裡，每秒鐘互相繞轉12圈（這速度嘖嘖），並向外輻射引力波。數秒之內它們越轉越近，直至最終合體在一起，發生劇烈的撞擊，形成新的天體，並發出電磁輻射。

LIGO它們發現的，就是這次合體事件的引力波；全球各大天文臺發現的，就是這次合體事件的電磁輻射。

雙中子星合併，最後變成了什麼呢？

目前還在觀測中，一種可能是變成了一顆更大的中子星，也有可能是變成了黑洞。

04 引力波的發現有什麼意義？

我覺得大眾最關心的，可能就是這個了吧。

然而實話實說的話，就目前而言，除了在天文、物理等頂尖領域意義重大之外，對於普通人而言，並沒有什麼直接的意義。

或許很多人就會這樣想，那有啥好關心？反正這玩意也不會影響我漲工資，也不能幫我娶媳婦兒，有這個資金還不如搞搞扶貧呢。有關心這個的功夫我還不如看看彭于晏鹿晗的八卦呢。

真的是這樣嗎？

曾經五百年前，歐洲的航海技術飛速發展，而原本航海實力世界第一的明朝卻寧願禁海，也不願再在航海上燒錢。從此歐洲人殖民了全世界，至今他們的文化還深遠影響了海外。

曾經三百年前，歐洲啟蒙運動誕生，基礎科學迅速發展，而清朝人卻將其視為奇技淫巧。然而人家很快產生了工業革命，把中國遠遠甩在後面不說，還讓我們經歷了那樣屈辱的歷史。

如今，我們還要繼續那樣短視嗎？只有身邊看得見摸得著的，才是利益，長遠的看似縹緲無邊的，就跟我沒關係，是這樣嗎？

當電磁感應被法拉第發現，被麥克斯韋研究時，可能大眾也覺得這跟我沒啥關係。然而，當電能最終進入到應用領域，給全世界所有人的生活帶來了無法想像的變化。

同樣的還有神經網絡、人工智慧、量子計算這些，那些領域的專家們早在上世紀60年代就已經開始研究，只是現在終於到了應用階段，到了瓜熟蒂落的收穫季節，許多認才開始恍然大悟：啊原來XX技術好厲害，好牛逼啊！

他們並不知道，已經有多少科學家和先驅者們，付出了多少心血。

就拿這次雙子星合併引力波事件而言，中國的團隊也默默參與其中。LIGO的團隊，就有清華大學信息技術團隊的助力。

在國內，中科院南京紫金山天文臺就對觀測數據進行了詳細分析。

在南極，中國南極巡天團隊利用崑崙站第2臺望遠鏡AST3-2，對雙中子星合併事件進行了觀測。

在太空，我國第一顆空間X射線天文衛星——慧眼HXMT望遠鏡，也對此次事件發生進行了成功的監測。

未來，中國自己探測引力波的頂級項目：天琴計劃也將一步步完成。和LIGO相比，天琴計劃更是直接用衛星在太空中進行觀測。

科學界前輩們今天的努力，也許對當下的普通人沒有什麼意義，但是也許十幾年，幾十年後，就會讓人類過得更好，會讓人類的子孫後代過得更幸福。

曾經我們漠視過，落後過，我們失去了探索海洋的機會，如今，我們不能再失去探索太空的機會。