引力波简单图解（10分钟搞懂引力波）

昨天晚上10点，全球数十家著名天文机构同时发布了一个重大消息：人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波。

可能有人会说，引力波不是去年2月就已经被探测到了吗，怎么又来宣布了？

这是因为，这两次引力波发现事件的性质并不一样，因此意义并不相同。如果用一句话简单地概括，就是之前那次，人类只是感觉到了引力波的存在，而这次，是正儿八经地“看到了”。

今天，眠眠就给大家简单普及一下引力波，以及引力波观测的知识，放心吧，会用最通俗易懂的语言来讲。

01 引力波是个啥？

如果把我们的宇宙比作一座巨型公寓楼的话，那么里面各种完全不同的物质就好比是脾气完全不同的租客，怎样能让这些“租客”们和睦共处呢？

这座宇宙公寓楼给出了四条最基本的规定，所有租客都必须按照这四条基本规定来。是的，这就是宇宙中最基本的四种相互作用：“引力相互作用，电磁相互作用，强相互作用和弱相互作用”。

这四种相互作用，也被称为“自然界四力”或者“宇宙基本力”。直到今天为止，宇宙中任何被观察到的，一切关于物质的物理现象，在物理学中都可借助这四种基本相互作用的机制，来进行描述和解释。

这四种相互作用中，电磁力、强力、弱力这三种都在上世纪中期时就已经被探测并证明存在了，只有引力的作用一直存在于理论中，关于它存在的证据：引力波，却一直没有被发现。

这是为什么呢？

因为引力作用实在是太弱小了。按照四种基本力的相对强度：如果把引力的强度定为1的话，那么，哪怕名字里带个“弱”的弱力，都有10的25次方那么强大。而电磁力和强力则分别为10的36次方和10的38次方那么大。

所以不比不知道，一比就会发现，引力波的作用实在太微弱了。

那么，引力波到底是个怎样的波呢？

在爱因斯坦的《广义相对论》中，我们可以用一种比较形象的方式来解释：时空的弯曲，或者说，是带质量的物体进行加速度运动而产生的波。

如果把时空想象成一张巨大而平整的沙发，那么你坐在沙发上，重量自然会导致沙发凹陷。如果在你旁边放一个小球的话，那么小球也会因为你的重量滚向你所造成的凹陷中。

并且，体重越大的人，对沙发制造的凹陷也越大，效果也越明显（放心吧，眠眠不是叫你们减肥……）。

另外，如果把你坐上沙发的那一瞬间，通过超高速摄影一帧一帧慢放的话，你会发现你对沙发制造的那个凹陷，是逐渐从内向外扩散的，这种扩散呈现出一种波动形式。

如果用更明显的例子的话，当你把一颗石子投入平静的湖水中，会在石子入水的地方为中心，产生一圈一圈的涟漪。这种涟漪，就和引力波的作用有着异曲同工之妙。

显然，如果以宇宙时空作为背景，那么一个石头，或者是一个人所造成的引力波，几乎可以忽略不计了。更不用说被远隔着几十亿光年之外感知到了。

这就是说，只有那些庞大到不可思议的天体，在产生惊天动地的天文现象时，所释放出的引力波，才能大到被远隔十数亿光年之外的我们捕捉到。

比如，超新星爆发所产生的引力坍缩和伽马射线暴，比如FAST前阵子发现的脉冲星，比如双星系统的合并，像双黑洞的合并（去年那次），或是双中子星的合并，也就是昨天刚刚发布的这次引力波观测事件的起源。

02 怎样捕捉引力波？

事实上，即便是黑洞合并这样震惊宇宙的大事件，所产生的引力波信号抵达地球时，其强度也已经微小到微乎其微。

究竟有多小呢？

引力波振幅的数量级在10的负21次方以下，只有氢原子的100亿分之一大小。

振幅小到这个尺度的波动信号，不要说蝴蝶振动一下翅膀，就是蝴蝶放个屁都相当于一场海啸……

那么黑科技LIGO是怎样捕捉到引力波的呢？

LIGO的全名是Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，中文意思是激光干涉引力波天文台。是的，从名字里就能看出，LIGO之所以能捕捉到引力波，所运用到的就是光的干涉原理。

干涉原理虽然是初中物理知识，但相比很多人都忘了，没事我再帮大家回忆下，两束光波在传播时如果互相重叠，就会出现新的波形。如果是峰谷叠加的话，新波形就会更强（下图左），如果峰谷相抵的话，新波形甚至会消失（下图右）。

体现在光强上，最亮的地方会超过原先两束光的光强之和，而最暗的地方光强有可能为零，这种光强的重新分布被称作“干涉条纹”。

在引力波的影响下，就会出现微小的光波波形变化，这时光探测器就能感应到干涉条纹的变化。最理想的状态就是从无到有，原本是完全互相抵消的，如果被引力波影响，就会形成干涉波形图样。

看起来似乎矮油，不错哦，然而实际操作起来却非常非常困难。因为地球上本身存在太多的电磁噪音干扰，这些干扰本身比引力波要大得多。这怎么解决呢？

除了一些顶尖的抗干扰方式之外（比如新LIGO那个增强10倍精度的悬垂式稳定器），LIGO还有一个解决之道，那就是，我复制一个自己。

真实的LIGO系统，其实是有两个完全一致的设备，分别位于华盛顿州的汉福德和路易斯安那的利文斯顿，两地相距3000多千米。这样一来，就可以通过超级计算机比对两者采集到的数据，并通过算法来排除许多干扰信息。

因为，同时能影响到相隔这么远的两地的波动信号，基本上必然来自太空，这样把地面人为的信号都去除掉，再筛选起来就容易多了。

除了这些之外，LIGO这套设备本身也已经堪称是人类史最精密的仪器。

首先，为了能够获得更清晰的干涉波形，需要激光的强度足够大，也就是功率要大，那么增强激光功率的方法，就是让激光通过许多镜面进行多次来回反射。

LIGO的每一面镜子，都有着超乎想象反射率，这些纯二氧化硅打造的反射镜，每300万个光子射入，只有1个会被留下，其余光子全部会被反射走。

另外，LIGO本身的激光臂就有4公里长，但这对于精度而言还远远不够，激光要经过400次反射，才能达到最终的强大功率，也就是说激光臂最终长度是1600公里，这样惊人的长度才能实现最终的精确率。

是的，当你用引力波的振幅10的-21次方和1600km相乘时，最终得到的数据尺度大约是单个质子半径那么大，虽然依然是极小，但至少足够我们捕捉到引力波的存在了。

03 这一次的引力波探测有什么不同？

昨天公布的这次引力波探测事件，是两个中子星合并时所释放的引力波。而之前观测到的那次，是两个黑洞合并所释放的引力波。

简而言之，它们的差异有两点：

第一点，是双中子星合并，所产生的引力波信号更强。虽然中子星的质量比黑洞小很多，但是它们持续释放引力波的时间要比黑洞长很多，可以达到一分钟以上，而黑洞合并的引力波信号，通常只持续一秒。

嗯，持久就是好呀~

第二点，是双黑洞合并时，因为黑洞的超大引力，任何光波都无法释放出来，也就是说，这一事件是真正意义上的“黑”的，我们只能根据其他现象推测它产生了，但是无法真的“看到”。

而双中子星合并就不一样了，它不但会释放大量的短伽玛射线暴，还会发出巨新星辐射，也就是说，有大量的电磁信号会产生，会被我们的天文望远镜观测到。

这也就是说，同时结合了引力波和电磁波，我们就对观测有了一个双保险加参照物，通过电磁波还可以准确定位到天文现象的位置。

嗯，黑洞可能大家都有所耳闻，那么中子星（neutron star）又是个啥呢？

当恒星的寿命即将终结时，它内核中的氢、氦、碳等元素已经在百亿年的核聚变反应中消耗殆尽。最终当热辐射效应渐渐式微，所产生的压力再也不足以支撑外壳时，就会发生坍缩，以及剧烈的爆发。

根据恒星的质量不同，从小到大最终会演变成白矮星、中子星或是黑洞的一种。

中子星的直径一般是10-20公里，但是每一立方厘米的物质便可重达十亿吨，因此它的重量可以达到太阳的1.35到2.1倍之多。这也就是说，中子星的密度基本上跟原子核的密度差不多。

另外，中子星的自转速度非常之快，可以达到一秒一圈。

大家可以想象一下，一个直径20公里，有两个太阳那么重的星体，一秒钟就转一圈，这是一种什么景象……

正是因为自转极快，中子星本身磁场又极强，在自转时所产生的电磁波辐射每扫过地球一次时，都会形成高频的信号脉冲，这种中子星也被称为“脉冲星（Pulsar）”。就跟迪厅里快速转动的彩灯差不多……

值得一提的是，世界最大单口径（500米）射电望远镜，位于我国贵州的FAST望远镜，一周前刚刚探测到数十个优质脉冲星候选体，其中6颗通过国际认证。

这也是中国射电望远镜首次新发现脉冲星。

上文里我们也说了，脉冲星本身就是引力波产生的重要来源，也就是说，未来非常有可能由LIGO、VIRGO（相当于欧洲的LIGO）发现引力波的存在，再由FAST这样的天文望远镜向那个位置观察，最终发现脉冲星、中子星合并等罕见的天文现象。

这一次的中子星合并，就是这样的故事：

8月17日，LIGO与VIRGO的三台探测器先后接收到一个引力波信号。就在这之后仅仅1.7秒，NASA的费米卫星就探测到了一个伽马射线暴。再之后位于智利的SWOPE望远镜在星系NGC4993中观测到明亮的光学源。

这三者互相印证了一件大事在宇宙中的产生（其实已经是1.3亿年前就发生了，只不过信号刚刚到地球……）

于是接下来的数个星期，全世界所有的著名天文台全部将望远镜对准了这片区域，并争先恐后地记录下天文数据，也就是这两颗中子星的前世今生：

距离地球1.3亿光年的长蛇座星系NGC4993中，两颗中子星彼此吸引着，越转越近，最终它们决定合体，以获得生命的大和谐……

在并合前约100秒时，它们相距400公里，每秒钟互相绕转12圈（这速度啧啧），并向外辐射引力波。数秒之内它们越转越近，直至最终合体在一起，发生剧烈的撞击，形成新的天体，并发出电磁辐射。

LIGO它们发现的，就是这次合体事件的引力波；全球各大天文台发现的，就是这次合体事件的电磁辐射。

双中子星合并，最后变成了什么呢？

目前还在观测中，一种可能是变成了一颗更大的中子星，也有可能是变成了黑洞。

04 引力波的发现有什么意义？

我觉得大众最关心的，可能就是这个了吧。

然而实话实说的话，就目前而言，除了在天文、物理等顶尖领域意义重大之外，对于普通人而言，并没有什么直接的意义。

或许很多人就会这样想，那有啥好关心？反正这玩意也不会影响我涨工资，也不能帮我娶媳妇儿，有这个资金还不如搞搞扶贫呢。有关心这个的功夫我还不如看看彭于晏鹿晗的八卦呢。

真的是这样吗？

曾经五百年前，欧洲的航海技术飞速发展，而原本航海实力世界第一的明朝却宁愿禁海，也不愿再在航海上烧钱。从此欧洲人殖民了全世界，至今他们的文化还深远影响了海外。

曾经三百年前，欧洲启蒙运动诞生，基础科学迅速发展，而清朝人却将其视为奇技淫巧。然而人家很快产生了工业革命，把中国远远甩在后面不说，还让我们经历了那样屈辱的历史。

如今，我们还要继续那样短视吗？只有身边看得见摸得着的，才是利益，长远的看似缥缈无边的，就跟我没关系，是这样吗？

当电磁感应被法拉第发现，被麦克斯韦研究时，可能大众也觉得这跟我没啥关系。然而，当电能最终进入到应用领域，给全世界所有人的生活带来了无法想象的变化。

同样的还有神经网络、人工智能、量子计算这些，那些领域的专家们早在上世纪60年代就已经开始研究，只是现在终于到了应用阶段，到了瓜熟蒂落的收获季节，许多认才开始恍然大悟：啊原来XX技术好厉害，好牛逼啊！

他们并不知道，已经有多少科学家和先驱者们，付出了多少心血。

就拿这次双子星合并引力波事件而言，中国的团队也默默参与其中。LIGO的团队，就有清华大学信息技术团队的助力。

在国内，中科院南京紫金山天文台就对观测数据进行了详细分析。

在南极，中国南极巡天团队利用昆仑站第2台望远镜AST3-2，对双中子星合并事件进行了观测。

在太空，我国第一颗空间X射线天文卫星——慧眼HXMT望远镜，也对此次事件发生进行了成功的监测。

未来，中国自己探测引力波的顶级项目：天琴计划也将一步步完成。和LIGO相比，天琴计划更是直接用卫星在太空中进行观测。

科学界前辈们今天的努力，也许对当下的普通人没有什么意义，但是也许十几年，几十年后，就会让人类过得更好，会让人类的子孙后代过得更幸福。

曾经我们漠视过，落后过，我们失去了探索海洋的机会，如今，我们不能再失去探索太空的机会。

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