两小时浓缩引力波百年之路——随大师开启宇宙新纪元

开场由本次大讲堂活动的主持人，复旦物理系的陈焱教授对本次活动以及两位主讲嘉宾做了简要介绍。

第一位主讲嘉宾是复旦物理系的吴咏时教授。他从理论物理学家的角度，以爱因斯坦的广义相对论为出发点，讲述了百年来引力波的预言和探讨的历程。他认为本次探测到引力波的事件之所以如此轰动的原因归结为三点：其一，引力波是爱因斯坦广义相对论时空理论一百年前的一个核心预言；其二，引力波的直接探测是广义相对论实验验证的最后的，也是最重要的一个“缺失拼图”。直接探测到引力波之后，这个“缺失拼图”就消失了，广义相对论作为物理学的一个基础理论，通过了最后的实践的检验；其三，由此开启了引力波天文学以及宇宙学的新时代。基于以上三点，吴老师认为，说引力波的发现是人类物理学、科学和技术的历史性意义的里程碑，是恰如其分的。

吴老师循着历史的脉络，重温了从古希腊时代至今的漫长岁月中，人们对引力不断的追求历程，特别是从伽利略的比萨斜塔实验到牛顿的万有引力再到爱因斯坦的广义相对论的发展。牛顿的万有引力理论取得巨大成功。然而在牛顿的世界里，引力是超距的瞬时作用，这与后来爱因斯坦狭义相对论的基本原理相违背。在狭义相对论中，相互作用的传播不会超过光速。从1905年起，爱因斯坦试图按照相对论的思想来修改牛顿的引力定律，他以一己之力穷十年之功，终于在1915年创建了广义相对论。

在广义相对论中，引力并不再以“力”的形式出现，而是定义成时空的弯曲。简单理解，当一个有质量的物体放在时空中，周围的时空发生了弯曲，物质会向它靠拢，看似一个等效的“吸引”作用。这反过来也印证了400多年前的比萨斜塔实验——引力对所有物体的作用都一样。简而言之，时空的几何形成之后，任何物质放上去的效果都一致。爱因斯坦做出了一个很重要的推论，即光线在引力的相互作用不走直线而是弯曲的路径。

广义相对论对我们现实生活影响的一个重要例子，就是常用于汽车上指示道路的GPS定位系统。GPS的运作原理实际上是要在地球附近有很多个卫星，利用卫星来进行定位。在这个定位过程当中很重要的一点就是卫星上的时钟要不断地校准，假如不校准的话这个误差就会积累，过了相当一段时间以后这个定位就会不准了。在这个卫星时钟不断校准的过程中，就要用到广义相对论的修正，由此这个误差才不会积累。

      爱因斯坦对引力波的预言是在1916年，也就是他的引力场方程发表不久之后。引力场的变化从爱因斯坦的场方程可以推出来引力场的变化是以波动的形式，以光速传播。引力波实际上就是时空曲率上的涟漪。引力波在坦广义相对论里，否定了牛顿的超距作用理论，保证了引力现象和狭义相对论的相容性。换而言之，引力场(或者引力相互作用)的传播速度不是无穷大或瞬时的，而是以光速传播。爱因斯坦场方程的另外一个重要结果，预言了在引力波传播方向的横截面上的一个方向上造成时空的拉伸或者有关物体的拉伸，同时在横截面上与前一方向垂直的方向上，时空或者物体是受到挤压。因此沿着这个引力波传播方向是一个周期性的波动方式，在物理上叫做四级矩的振动模式。 

     爱因斯坦的广义相对论还有一个非常奇妙且起初难以理解的预言就是黑洞的存在。因为这个解得奇异性的存在，爱因斯坦当年是不怎么喜欢这个解的，他曾经写过文章试图论证黑洞解虽然是广义相对论的一个严格解，但是很可能在物理世界不会发生。

      换句话说，爱因斯坦曾经怀疑过黑洞存在的真实性。这一点上，在他质疑引力波存在的反复之中，也可见一斑。所以引力波预言的前半个世纪，几乎是在争议中度过的。而在LIGO之前，许多科学家也曾经努力试图验证引力波的存在。但最后均以失败或者是可信度低告终。吴老师从整个引力波的预言和争议的历史历程，深入浅出地梳理了一些简单易懂的物理概念和图像。

紧接着是清华大学的曹军威研究员做关于LIGO实验工作的介绍。曹老师是国内唯一参加LIGO团队的清华大学工作组的负责人，他于2004年到2006年期间在美国MIT的LIGO实验室工作，他的课题组参与完成了本次LIGO实验数据处理和分析的一些工作。 

从实验的角度来看，引力波对于时空的拉伸是极其微小，即便是致密双星并合时产生的引力波，除非你就站在引力波波源附近，否则引力波只会把你的身高改变一丁点——大约是一个氢原子的100亿分之一，这也是实验上最大的难处。本次引力波产生的两个黑洞一个是39太阳质量，一个是29太阳质量，他们互相之间环绕，产生释放出引力波，释放能量以后，他们之间的距离越来越近，距离越来越近，旋转速度越来越快，放出的，引力波的能量也越来越大，直到最后它所引起的时空涟漪越来越明显。而后进入了一个快速互相旋转，最终达到并合阶段，损失3个太阳的质量。探测到并合过程中释放出来的这样一个引力波，该引力波实际上是要跨越13亿光年，经过了很多很多的星系，最终传递到地球。 

LIGO的实验原理其实并不复杂，就是在大学物理中讲授的迈克尔逊干涉仪。只不过极其巨大，在精度上的要求尤为严格。它的两个直角臂长达4公里，并且内部全为真空。此外，所有的防震装置、镜面精度等要求都极其严苛。要知道在引力波的影响范围内，任何细小的噪声和误差，都足以大得惊人。这个干涉装置在没有引力波的情况下，干涉条纹是相互抵消的。而当引力波经过时，两边的臂长被伸缩的程度不等，所以会出现干涉，而通过分析干涉条纹，我们就能得到引力波的数据。为了实验的可信度更高，LIGO在相距3000公里的两个地方都建造了类似的装置，并且本次都捕捉到了这个信号。从公布的测量数据图来看，两个实验台得到的信号在主要区间基本一致。这印证了本次引力波的可靠性。另外，两个实验台测到信号的时差在6.9毫秒，这也与引力波以光速传播的预言相一致。 

本次LIGO得到的实验数据，信噪比高达23。从实验来说，信噪比在5以上的信号就已经非常可信。对于这样显著程度的信号而言，任何一个噪声要伪装成这样一个信号的话，那它的概率是23万年才会有一次。此外，信号点与噪声的间隔很大，十分明显。而且从信号本身来看，它在很短的时间内，频率从35赫兹，急剧变化到350赫兹，然后又经过了消减这样的过程。这也不是任何随便的噪声可以伪装的。……从种种迹象都明显可以肯定，这次探测到的是一个引力波。 

最后，曹老师简单介绍了LIGO参与的一些单位以及未来的一些天文实验台建设和规划，以及未来引力波探测方面的计划。今后的引力波探测将不仅局限于地面，也会通过卫星在外层空间来探测更难以测得的低频引力波。曹老师对天文学未来的发展充满了信心和憧憬。

两位专家老师的报告结束之后，在场的听众提问踊跃，与专家互动交流。历时130分钟的第五场复旦通识教育大讲堂在欢快热烈的气氛中结束。