天文新宠：引力波｜老和山下的小学僧 -

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导读

电磁辐射消耗能量，所以物体散发电磁波会导致自身能量不断下降，因为能量守恒嘛。同理，引力也在对外传播，那会不会有“引力辐射”，也导致物体能量的减少？物理学家设计了一个异常宏大的实验方案。

首先，抛一个“我思故我在”的哲学话题。我们平时所谓“看得见”，本质上是这个东西发光或反光，光线进入眼睛后，产生一系列生物反应，最终在大脑产生视觉信号，这就是“看得见”。所谓“摸得着”，那是手指的分子与这个东西的分子足够近，分子间产生排斥力，使神经系统产生压力信号，让我们认为摸到了这个东西，实际上分子之间是不接触的。

我们看到的只是光，摸到的只是分子排斥力，而这个东西到底是否存在，严格的说，是不确定的。更刁钻一点，如果有个技术能模拟各种各样场景的大脑信号，那这个大脑是分不清幻觉和现实的。也许世界根本就不存在，是你的大脑信号一直在欺骗你。

这个滥话题有点扯蛋，但换个场景，就有点意思了。

引力波的价值

上篇说到（东方天眼：贵州FAST），人类观察宇宙，主要通过测量各种射线、紫外红外、可见光等电磁波，归根结底，还停留在“看得见”这个层面，而且是依靠“电磁波”才看得见。万一有个东西不辐射电磁波，也不存在电磁相互作用，那我们就傻眼了！

有人会说，这种没头没脑的假设，是毫无意义的钻牛角尖！众所周知，任何有温度的东西都有辐射，谁能说出一样没辐射的东西？有吗?有吗！

别急，还真有，这就是暗物质。虽然暗物质尚未证实，但绝不是空穴来风，不过这货今儿是来跑龙套的，再多的镜头就不给了，过。

暗物质在与人类玩躲猫猫的过程中始终游刃有余，而宇宙中，又有多少像暗物质那样未被发现的东西？人类科学发展至今，急需第二件工具，引力波正是不二之选！（好吧，其实除了引力波，我们也没有其他选项。）

引力波的预言

牛爷发现万有引力后，大家普遍认为引力的传播是不需要时间的，比如，太阳突然出现，地球就能瞬间感受到引力，太阳突然消失，引力也就跟着瞬间消失了。这和我们普通人的理解差不多。

但这样的话，相对论的很多公式就对不上了，任性的爱因斯坦既然能把空间掰弯，把时间拖慢，把任何与相对论矛盾的东西都干掉，引力自然也不例外。

按照广义相对论洛伦兹不变性的推导，爱因斯坦预言，引力以光速传播。比如，太阳突然出现，它的引力是以光速向外传播，地球将在8分钟后感受到引力，太阳突然消失，地球也是8分钟后感受到引力的消失。这就是引力波的概念。

我们按“相对论”的高逼格，重新表述：质量发生变化，导致时空结构改变，时空结构的变化将以“波”的形式传播。

这个想法倒是蛮有创意的，但也没什么神奇之处吧？如果我们拿引力波和电磁波做对比，就会发现很神奇的事情。电磁波是极易被干扰的，雷达波遇到金属网就懵圈了，可见光，拿个镜子就能反射，而宇宙短波射线，碰到大气层就认怂。

而引力，仿佛亘古不变，不可屏蔽，不会转向，执着的以恒定光速向外传播，无论你在太阳和地球之间干了什么事情，丝毫不会影响太阳对地球的引力，这才是真爱啊！

于是，脑洞大开的物理学家提出，引力可能是在更高维度传播的，不受三维空间的束缚。你的小脑袋也不用去想象多维空间的样子，这是数学模型，身处三维世界的人类大脑是无法形成图案的。

说到这，有很多大仙开始算命了：宇宙不过是人家的一粒原子，空间有二百五十维……哥们儿，物理学家的理论都有严密的数学做背书，您可别一拍脑袋出个理论，再一拍大腿又出个预言。

玄学和科学的差别就是数学。没有数学的物理模型，就好像没有火控雷达的防空导弹，瞎捅。

引力波的测量

非常抱歉，你得重新认识引力了。

电磁辐射消耗能量，所以物体散发电磁波会导致自身能量不断下降，因为能量守恒嘛。同理，引力也在对外传播，那会不会有“引力辐射”，也导致物体能量的减少？物理学家设计了一个异常宏大的实验方案。

01

间接证据：宇宙引力实验室

两颗质量不变的星星，相互绕着旋转，按照经典的理解，轨道半径是不会有任何变化的。

但按照相对论引力波的理解，两颗旋转的星星，忽远忽近，使得引力忽大忽小，并以光速对外传播，这种“引力辐射”使双星的能量不断降低，进而导致双星运行轨道变短。

实验原理虽然简单，但即便拿2个地球那么大的物体做实验，数据仍然小到微不可察。幸运的是，宇宙早就为我们准备了一个完美的“引力实验室”，1974年阿雷西博射电望远镜（就是上文提到的美帝即将关门的射电望远镜）发现了一对脉冲双星，编号PSR1913+16，为了强调这个“天然实验室”的重要意义，天文学家专门把“脉冲双星”这个名称保留给PSR1913+16。下面开始试验了。

某天，阿雷西博望远镜接收到了一个来自宇宙的微弱脉冲信号，意味着发现了一颗脉冲星。这其实没啥好得瑟的，但天文学家很快发现了异常，通常脉冲星频率极其稳定，精度堪比原子钟，但这颗脉冲星的脉冲周期前后偏差却有十亿分之58秒。很明显，如果不是外星人的信号，那一定是有一颗伴星影响了电磁波传送。

人类已经有能力把脉冲星的频率测量的无比精确，仅仅凭借这一个参数，天文学家犹如福尔摩斯一般，把这对脉冲双星的家底算了个底朝天：自转周期0.059029995271秒，公转周期27906.98163秒，还有诸如天体质量，轨道半径等等参数。

按照引力波的预言，这对脉冲双星因为引力辐射损失能量，应该会导致公转周期每年减少百万分之75秒，并在3亿年后合并。天真的天文学家持续进行了多年的观测，最终，根据脉冲变化规律计算得：公转周期每年减少百万分之76±2秒，半长轴每年缩短3.5米，与相对论预言极其吻合！啥也不说了，先给诺贝尔奖！

这是首次对广义相对论最精确、最全面的检验！这下真是炸了锅了，引力竟是这般模样。

脉冲双星提供了有力的间接证据，于是大伙都指望直接测量引力波。

02

直接测量：LIGO

说起来，引力波探测的原理异常简单。前后放两块板，如果引力是瞬间传播的，那么这两块板会同时感受到引力，同时产生轻微的位移，两者间距不会有变化。如果引力是光速传播的，那么前面的板先感受到引力，先产生位移，此时后面的板尚未感受到引力，所以两块板的间距就会发生变化。

直白点说，如果好端端放着的两块板，间距莫名其妙发生了一下变化，我们就认为探测到了引力波。你还别嫌弃，从原理上讲，人类就这么点能耐。

说起来简单，但引力波引起的移动，可能只有千分之一质子大小的距离。要测量这种尺度的位移，还是得费不少功夫，上道具：激光干涉引力波天文台（LIGO）。

先把一束激光分成2束，按相互垂直的方向发射出去，在各自顶端放一个反射镜。每个管道长4km，激光来回反射50次，最后两束激光形成干涉条纹。当引力波经过时，两个反射镜会先后受到干扰，先后产生位移，间距也就变了一下，干涉条纹就会发生变化。除非这个挨千刀的引力波刚好从45度角过来。

虽然引力波探测的原理如此简单，但技术层面异常复杂，正如贵州FAST，大有大的难处。为了保证反射镜的抖动是引力波造成的，就要做很多防震措施，不然跺一跺脚，镜片就抖个不停。

为了最大限度的提高了信号的可信度，在远处再造一个一模一样的装置，两台LIGO分别位于美帝的两头，相距3000km，所以你经常能看到两张背景不同的LIGO照片。

为什么要装2台呢？如果是跺脚产生的振动，不会给两台装置同时留下一模一样的信号。实际上，地球上的振动，都不可能在相距3000km的距离上同时产生一模一样的、如此微小的振动信号。而来自十几亿光年之外的引力波，哪怕是相距3000万km，引力场也是非常均匀的，这个很好理解。

美帝花3.6亿美刀做完这一切，守株待兔在那边等了11年，最终，一无所获。于是，科学家又忽悠美帝再烧2亿升级系统，又苦苦等了5年，直到那个巨大巨大巨大的引力波撩动了反射镜，使镜子整整移动了0.000000000000000001米，整个过程持续了整整0.25秒。最后得到了如此美轮美奂的一张图！

好吧，其实我想说，基础科学实际上就是这么枯燥。前2个图分别是两台LIGO上测试到的振动信号，第三张图是把两个信号重合到一起，非常吻合，可以判断是宇宙引力波，而不是研发人员打喷嚏或者地球上的其他振动。

这个引力波来自十几亿光年之外的两个黑洞相撞，两颗黑洞的初始质量分别为14.2颗太阳和7.5颗太阳，合并成了一颗20.8倍太阳质量的黑洞，亏损的0.9颗太阳质量以引力波的形式释放到宇宙空间。如此巨大的能量，到了地球仅仅撩动了反射镜那么一点点距离。

基于这种原理建造的引力波天文台，还有意呆利臂长3千米的VIRGO，德国600米的GEO，脚盆正在升级的3千米的KAGRA，连造型都一模一样，难度只在技术细节上，枯燥的很，不多说。

中国对引力波的探测曾经中断十几年，当前有个“天琴计划”，大意是，地球上腾挪不开，用月球啊、卫星啊当反射镜。说白了，就是增加两个反射镜的距离，提高测量精度。欧萌已经开始用卫星在太空搭一个100万公里长的探测器，道理都差不多。

欧洲LISA“探路者”引力波探测器卫星

地球末日

从实用主义的角度出发，这些到底有什么用？送各位一个无从反驳的理由。

有一种观点认为，注意，只是某一些人的观点，之所以找不到外星人，是因为超新星爆炸。大恒星演化到后期很大可能发生超新星爆炸，天体演化过程可以参见前文《黑洞修炼秘籍》。

超新星爆炸伴随强大的伽马射线，伽马射线是宇宙间最强的能量表达形式，可以清空周围一片星系上的所有生命，包括细菌。这种观点认为，宇宙中90%的核心区域因为有太多恒星，会不定期发生超新星爆炸，而这里的生命也就不定期被清洗干净。幸运的是，太阳系属于宇宙的角落地带，恒星少，遭难的可能性也就小了。

来点劲爆的消息，天文学家发现，距离地球大约8000光年，代号为WR104的巨大恒星，在今后的50万年时间里，随时都有可能发生超新星爆炸，而它的伽马射线暴正巧对着太阳系，不偏不倚。

从这个角度说，人类文明存亡在旦夕之间！以目前的科技水平看，近距离的伽马暴，人类几无招架之力。

引力是什么

目前引力波毫无实际用途，但仅仅对引力的重新认识，就足够掀起科学界的滔天巨浪。

19世纪末，大家以为物理学已经完工了，只剩下“两朵乌云”，结果两朵乌云分别诞生了相对论和量子力学，让物理学家又忙活到现在。

而现在，大家又把物理学收拾得规规整整，只剩下引力无法统一，说不定，这个引力又会为人类掀开一个全新的世界。

引力可能就是目前为止我们这种三维空间生物超越时空的唯一希望。这个坑太大，先不挖，就稍稍举个例子，黑洞里时空已经破坏，所有信息都跑不出来，唯独引力可以从容的向外传播，为啥？

对于引力波，即便是70年代的间接证据都能得诺贝尔奖，这次引力波直接测量，用脚指头想想就知道多大份量。原本想做一回先知，预言一下诺贝尔奖，结果码字效率太低，被诺贝尔奖评委会抢了先，只能当个事后诸葛。

2016年6月宣布探测到引力波，次年便获得了诺贝尔奖，这种获奖速度和历史上最疯狂的“超导大跃进”有的一拼，正常的诺贝尔奖都得熬上几十年，可见大伙对引力的重视程度。

2017年诺贝尔物理学奖得主：雷纳·韦斯（Rainer Weiss）、基普·索恩（Kip Thorne）和巴里·巴里什（Barry Barish）

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