引力和引力波

在进入正题介绍引力波探测器之前，先很快的回顾一下引力和引力波的基本常识。任何有质量的物体都会扭曲其周围的时空。引力其实是这种扭曲的表象。一个常用的比喻是：想象时空是一块二维的弹性布料，一个实心球放在布料的上面，会把布料扭曲。物体质量越大，扭曲越严重。当然这只是一个比喻，“布料”是二维的，而真正的时空是三维（或四维的，如果把时间独立出来算作一维的话。不过这种说法很有争议）。图1 显示的是静止物体对时空的扭曲。

图1：重物造成的时空“布料”的扭曲（来源）

当然宇宙里没有哪个物体是完全静止的。物体的移动会造成时空扭曲的移动，从而产生波浪形的尾迹，即引力波，见图2。

图2：移动物体造成的引力波尾迹（来源）

引力波的能量和速度平方成正比，和质量成正比，它的波长和质量成正比，它的衰减和距离平方成反比。宇宙中的天体，质量大的一般速度小（和光速比较），速度大的一般质量小，而且离地球近的个儿大的没几个。因为这些原因，自从 20 世纪初老爱同志提出引力波的概念和预测后，科学家和工程师们在整整一个世纪里都没能探测到引力波，直到 2015 年。

引力波探测

那如何能够探测到呢？不外乎两条路：第一，找个更大更猛的引力波源。第二，把探测精度提高。找威猛的引力波源，科学家把目光纷纷投向宇宙中已知最威猛的天体：黑洞。而且一个不够，来俩！当两个大质量黑洞（每一个大约是几十个太阳的质量）在距离很近时候，它们相互围绕着做高速旋转，产生巨大的引力波扩散出去，见图3。

图3：双黑洞旋转激发的引力波（来源）

扩散出去的引力波带走了能量，使得整个双黑洞系统能量降低，导致轨道衰减，两“洞”距离更近。距离更近，因为角动量守恒，使转速更快，从而激发和扩散出去更多的引力波，导致两“洞”距离更近。如此几何级数的循环，很快两“洞”相撞合并，激发出难以想象的能量爆发。这样，咱们就有可能探测到了！

那第二条提高精度呢？经过几十年的累计，探索和国际合作，科学家和工程师们终于达到了测量引力波的最低精度的门槛，制造出了 LIGO。

你可能要问，既然 2015 年以前只是猜测引力波的存在，那为什么要花那么多金钱，人力和资源去制造 LIGO？除了可以证明爱因斯坦广义相对论的正确与否，还有没有其他的用途？

在 LIGO 之前，我们”看“宇宙的手段十分单一，基本就是电磁波观测，从无线电波，到微波，到红外线，到可见光，到紫外线，到 X 光，到伽马射线，统统都是由光子组成的电磁波。电磁波特别容易被宇宙中的气体，尘埃，恒星，星系等干扰，屏蔽和阻挡，以至于很多时候我们无法看清天体的真面目。同时，电磁波的发射经常是定向的，也就是说，如果我们观察对象发射的电磁波的方向不是正好指向地球的话，我们将无法”看“到它。而引力波观测则没有这些限制：引力波无法被阻挡，而且引力波是三维全向传播，不存在观测死角。

LIGO

LIGO 是 Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory（激光干涉引力波观测台）的缩写。读音近似于”莱狗“😁。它是几十年工程和科学累计而成的巅峰成果，由美国国家科学基金（NSF）出资，麻省理工（MIT）和加州理工（Caltech）共同建造。它有两个相同的观测中心，一个位于美国西北角的华盛顿州，另一个位于美国东南角的路易斯安那州。它于 2008 年建设完毕，于 2015 调试成功。

2015 年 LIGO 在人类历史上首次观测到并完全证实了爱因斯坦预测的引力波。具体观测数据：

➖ 两个黑洞合并，其中一个黑洞质量是太阳的 29 倍，另一个是 36 倍。

➖ 合并后黑洞质量为太阳 62 倍。过程中损失 3 个太阳质量，全部转换成引力波。

➖ 合并小于 0.1 秒钟，把相当于 3 个太阳全部 150 亿年的能量在 1/10 秒里释放完。

➖ 合并释放的能量功率相当于整个宇宙的总能量功率的 50 倍！

➖ 当时只有两个观测中心，无法三角法定位，只知道大约在南半球天空，13 亿光年以外。

图4：2015年双”洞”合并的想象图（来源）

这次观测确凿无疑，达到5个σ或99.99997%的概率，肯定了爱因斯坦的广义相对论关于引力波的推测。为此，2017 年 LIGO 项目的创始者们拿到了诺贝尔物理学奖。从此我们观察宇宙有多了一种手段，能够看的更远，更清楚。

从 2015 年到 2023 年，LIGO 和其它姐妹引力波观测台一共观测到了大大小小近 50 次的引力波事件。极大的拓宽了我们对黑洞和其合并事件的认知。

下次介绍 LIGO 在工程上的逆天成就