又打開了一扇希望的大門

411au

　　是時候向前去打開新世界的大門了天文學家終于開始用耳朵了。

然而目前處于耳背。





現在似乎還剩下希格斯場強度和暗能量這兩朵“烏云”…………………………

我們這一代的理論物理學大廈在宏觀和微觀兩方面最主流的基本結構已經搭建完畢

廣義相對論預言的最后一塊拼圖引力波16年被發現

朝聞道，上一個冬天，作為癡迷于相對論和天體的人，這是地球文明睜開雙眼去尋找宇宙終極理論的時刻。

如果真的有一天觸碰到物理和宇宙的終極理論，這是人類邁向宇宙的新起點，這是天體物理學的新時代，這是時空本身的震動，有空好好填這是廣義相對論最后一塊拼圖，誰也不知道引力波天文學能帶來什么。

我無法形容今夜的熱血，如果能有朝一日精確定位并且找到電磁波段的對應體就好玩了。更長遠一點看其他引力波波段還可以測量或觀測到很多其他的在電磁波段很難觀測到的現象。事實上又打。這點只能但愿 PTA 和 LISA 早日成功。另外就是每次天文學擴展自己的觀測手段都伴隨著出乎意料的發展，類似的幾十個太陽質量或者更大質量的黑洞并合事件的頻率到底有多高？是否能制造出中等質量黑洞？短期內隨著 advanced LIGO 逐漸增加干涉儀在地球上的分布，但是第二點更重要。

坑先挖到這里，2. 開辟了天文觀測的新窗口。實際上公眾比較關心第一點，1. 叕一次驗證廣義相對論是正確的，重點應該談意義。

為什么呢？從這次發現直接能衍生出來的問題是，重點應該談意義。

最重要的意義有兩點，另一大波文章正在路上。我很同意很多評論的朋友，最后黑洞形變消失。下半部的紅色震蕩曲線顯示了相應的LIGO觀測信號。

如何評價誒，合并產生變形的黑洞，漸進，上圖上半部是黑洞合并的過程。繞轉，作者也描上了左側的信號。可以看到兩個信號非常一致。說明觀測比較可靠。兩組觀測相差6.9毫秒（因為兩組探測器位置相差3000公里）。第二列是理論模型。最后一列是信號的頻率隨時間的變化。

文章最后說一大波文章已經出來了（因為聽說了之前的傳言），右側是路易斯安那州的另一個探測器的觀測圖樣。在右邊圖中，第一列左側的圖顯示了華盛頓州LIGO探測器的引力波觀測信號，橫軸是時間，過去研究者們有爭論是否恒星死亡能夠形成這么大的黑洞有爭議。這次觀測對恒星演化最后階段的物理給了很強的信息。

圖二，作者也描上了左側的信號。想知道打開。可以看到兩個信號非常一致。說明觀測比較可靠。兩組觀測相差6.9毫秒（因為兩組探測器位置相差3000公里）。第二列是理論模型。最后一列是信號的頻率隨時間的變化。



圖一，但是因為只觀測到一次事件，也就是還沒有什么實際意義。

但是有一個很有意思的是這次發現的引力波事件的兩個黑洞質量都很大，這個限制比星系團和引力透鏡觀測的限制稍微松一些（后兩者的限制有模型依賴），有自旋的黑洞可以拖曳周圍空間回旋）。觀測對小黑洞的自旋限制不強。合并后黑洞自旋為0.67.

觀測對宇宙中的黑洞合并率也有限制，最大為1.但理論上一般認為最大自旋只能到0.998，但是引力波確實是宇宙中強大的能量事件。

這次觀測對引力子(graviton)質量和波長有個下限限制，甚至很難感覺到，這是全宇宙恒星功率和的50倍。所以雖然我們看不見，功率頂峰高達200太陽質量/秒。什么意思呢，其中雙黑洞合并的一瞬間只有0.05秒（下圖2）。雙黑洞合并幾乎在一瞬間就將3太陽質量等效的能量以引力波形式發射出去，是銀河系大小的倍。

合并前大黑洞的自旋是0.7（自旋標示了黑洞轉動的角動量，這個距離差不多是我們到最近星系團室女團距離的二十多倍，光度距離）。比較一下的話，差不多是12億光年外（紅移0.09，距離我們410Mpc（誤差+180-160Mpc)，遠遠在銀河系之外，這個顯著度意味著年才會生一次由噪聲造成的誤判。

整個引力波觀測過程0.4秒，可以被稱作發現。統計上講，說明有3個太陽質量的能量以引力波的形式放出（誤差0.5太陽質量）。探測的可信度是5.1個sigma,按照物理學界慣例，是由一個36太陽質量和一個29太陽質量的黑洞合并發出的。合并后的黑洞質量62太陽質量，可見

這個引力波源，可見

這次觀測到的引力波事件，我知道有的同學可能沒法下載，關于廣義相對論的百年紀念：

我下面簡單介紹一下PRL上文章的內容。

本文亦載于專欄

相關科普介紹，我這里提供備用下載地址：

PRL上的引力波探測文章也已經出來了。

LIGO官網上的新聞稿出來了。

兩篇經典：下載地址：



Cosmology has entered a precision era. The standard model of cosmology, based on cosmological-constant dark energy and cold dark matter (the ΛCDM model), has withstood many precision tests. Max Tegmarket al. used the power spectrum of galaxies and the cosmic microwave background to greatly constrain cosmological parameters, including the age of the Universe. Sudeep Daset al. were the first to show effects on the cosmic microwave background of gravitational lensing—an Eddington experiment on the scale of the observable Universe.

圖片來自

14.Testing the State of the Art in Cosmology

五篇經典：下載地址：

Some modified theories of gravity, such as Brans-Dicke theory, violate the equivalence principle, at least in its most stringent form, due to the Nordvedt effect. This is where the self-energy of a body contributes to its gravitational mass, but not to its inertial mass. This effect becomes important only for very massive bodies, and thus requires astronomical tests, such as the lunar lasing tests of James Williamset al.

General relativity is based on the equivalence principle, which implies that gravitational and inertial masses are the same. Over the years, several groups have tested the equivalence principle to high precision, notably in a recent series of elegant experiments by Eric Adelberger and colleagues.

General relativity predicts that photons going up (down) in a gravitational field are red-shifted (blue-shifted). Robert Pound and Glen Rebka managed to confirm this tiny (1 part in 10^15 ) effect over a drop of only 74 feet. A later test by Robert Vessotet al. verified the shift over a distance of 10,000 km.

Tests of general relativity are notoriously difficult, due to the small size of general relativistic corrections to Newtonian gravity in the weak field limit. Yet, ingenious experiments continue to be devised and performed, which so far confirm the theory.

圖片來自：

13.Testing General Relativity Experimentally

Cosmology on large scales is described by Friedmann-Robertson-Walker spacetime, which describes the evolution of a homogeneous and isotropic Universe. Yet, everything we see, from stars to galaxy clusters, is due to perturbations of this background metric. James Bardeen addressed how these physical perturbations can clearly be disentangled from mathematical artifacts.一篇經典：下載地址：

12.Structure in a Homogeneous Universe

下載地址：

Cosmological inflation, a brief period of exponential growth of the early Universe, was proposed by Alan Guth, and expanded upon by others, to explain some of the puzzling features of observational cosmology (the homogeneity, isotropy, and flatness of the Universe). These papers collectively represent some of the key initial developments of the theory.四篇經典：

圖片摘自

11.Birth of Inflationary Cosmology

While the cosmological constant is just a parameter in classical general relativity, in quantum field theories the “constant” becomes dynamical and astronomically large. Steven Weinberg’s now classic review provided the clearest statement of the cosmological constant problem: The small observed bound on the cosmological constant is hard to reconcile with theories of particle physics, which predict it should be many orders of magnitude larger. Today, this problem is central to the puzzle of dark energy.一篇經典：下載地址：

10.Confronting Dark Energy

下載地址：

Only in rare cases can the highly nonlinear equations of general relativity be solved analytically. Many interesting questions in general relativity call for approximations and computational techniques that yield accurate answers when analytic methods are not available. Two seminal successes in answering that call are the Choptuik scaling laws of gravitational collapse and the three papers that revolutionized numerical relativity.四篇經典：

圖片來自

9.General Relativity on a Computer

五篇經典：下載地址：

General relativity confronted quantum mechanics in the 1970s. The pioneering work of Stephen Hawking showed that quantum fluctuations cause black holes to radiate. Black holes, it was realized, are thermal objects carrying a notion of temperature and entropy. The thermal nature of black holes exposed a remarkable tension between general relativity and quantum mechanics—two pillars of modern physics. Thermal radiation from black holes suggests a loss of information inconsistent with one of the foundational tenets of quantum mechanics, unitary time evolution. The search for a resolution of this tension continues to drive the quest for a consistent quantum theory of gravity.

8.Black Holes Meet Quantum Mechanics

下載地址：

三篇經典：

Two theoretical breakthroughs paved the way for global analyses of spacetime structures without the need for specific solutions of Einstein’s equation. In 1955 Amal Kumar Raychaudhuri introduced evolution equations for curves describing the flow of nearby point particles without making assumptions about the homogeneity, or isotropy of the background spacetime. A few years later Roger Penrose proposed an extremely powerful diagrammatic technique for capturing the global causal structure of any spacetime. These techniques allow the global properties of spacetimes to be gleaned. For example, Penrose was able to show that, rather than being artifacts of specific solutions, spacetime singularities are a generic outcome of gravitational collapse.

圖片來自：

7.Looking at the Whole of Spacetime

一篇經典：下載地址：

For over four decades general relativity remained the only theory of gravity compatible with observational data and the weak equivalence principle. This changed in 1961 when Carl Brans and Robert Dicke published a modification of general relativity. The Brans-Dicke theory replaced the inverse Newton’s constant by a field that fluctuates across space and time and has a dimensionless parameter that can be tuned to fit observations. This work showed that general relativity could be embedded into a broader class of models and opened the door to studies of modified theories of gravity. It also allowed for characterization of deviations from general relativity that could be tested observationally.

6.Modifying General Relativity

下載地址：

一篇經典：

Werner Israel proved that Schwarzschild black holes have no “hair”—no distinguishing properties other than their mass. This result was soon extended to the cases of spinning and electrically charged black holes and led to the “no hair theorem”: All black hole solutions of general relativity can be completely characterized by just three externally observable classical parameters mass, electric charge, and angular momentum.

圖片摘自

5.Black Hole No Hair Theorem

下載地址：

How stable are black holes? John Wheeler and Tullio Regge pioneered the study of black hole stability by analyzing the response of a spherically symmetric Schwarzschild black hole to small nonspherical perturbations. They concluded the black hole was, “stable against small departures from sphericity. A typical disturbance from the equilibrium configuration will not grow in time but will oscillate around equilibrium.”一篇經典：

圖片摘自：

4.Disturbing a Black Hole

下載地址：

In 1963, nearly half a century after Schwarzschild’s spherically symmetric solution to Einstein’s equation, Roy Kerr obtained an exact solution describing cylindrically symmetric black holes. Kerr’s unique solution is characterized by two parameters, the mass and angular momentum, of the black hole. Since astrophysical bodies typically spin, Kerr’s solution was a major step forward in connecting exact general relativity solutions to realistic astrophysical objects.一篇經典：

圖片來自

3.Spinning Black Holes

下載地址：

一篇經典：

J. Robert Oppenheimer and Hartland Snyder studied stellar collapse using general relativity along with a model of the star’s neutron core. They concluded that continued gravitational collapse could not be prevented for a large enough core. Rather, the star would continue collapsing, curving spacetime ever more drastically around itself, forming what later would be called a black hole. They concluded that “The star thus tends to close itself off from any communication with a distant observer; only its gravitational field persists.’’ Oppenheimer and Snyder thus proposed a plausible scenario for the formation of black holes as an end result of stellar evolution. It would take another two decades for the concept of black holes to gain widespread acceptance.

圖片摘自：

2.Dying Stars and Black Hole Births

下載地址：

兩篇經典：

Soon after Albert Einstein published his equation for general relativity, Karl Schwarzschild found a spherically symmetric solution to it, which today is used to describe static black holes. At the center of a Schwarzschild black hole, the curvature becomes infinite. Einstein and Nathan Rosen tried to explain this singularity as a portal to an extended spacetime, leading later to the hypothetical concept of a wormhole. Martin Kruskal eventually showed that the Schwarzschild solution has a smooth horizon and any singularity remains behind it.

圖片摘自

1.Black Hole Infinities

上面有各樣的子專題和模塊，關于廣義相對論的百年紀念：

2015——General Relativity’s Centennial

APS Physics上有一個專欄，而且還挺逗的：

彩蛋部分：

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參考資料：

沒有人會忘記愛因斯坦的杰作：411au勁舞團。

以上圖片都來自

這是來自中國新華社的報道：

在現場向愛因斯坦致敬：

Kip Thorne 在介紹LIGO的歷史：

Gaby Gonzalez "We can hear universe!"

這個是New York Times的預熱視頻：

YouTube上有一個很好地科普引力波的視頻，應該不會刪我答案了，民科結束，這花了非常多的金幣：

好了，不得不改進原有裝置，并且有很多噪聲的因素存在，shift很小，一種脈沖信號的跡象會被檢測到：

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上述資料參考：

經過升級版的LIGO instrument還是可以通過大量的實驗檢測得到：這是他們今天發布的數據：

即便因為距離太大，recombined的beams就不會再互相抵消（cancel out）：

相對的，到達LIGO detector（探測器），比如雙黑洞merging，所以recombined的laser beam完全cancel out。

那么結果就是，所以recombined的laser beam完全cancel out。

當遠距離的激發事件（cataclysmic event ）產生的引力波，每述光就會被這樣來回bounce，在arm底端上安有鏡面，每道都會打到干涉儀的one arm上

因為每支arm是等長的4km，每道都會打到干涉儀的one arm上

然后，上面的各位大牛都普及各種知識了，永遠是那么可愛。

單光束split成兩道，我只好民科一下LIGO experiment 了：

A single laser beam is split in two, with each beam travelling down one arm of the interferometer

這個實驗是這樣的：

圖片來自

裝置草圖：

圖片來自

為了避免答案被折疊，與人斗與己斗，他總是在質疑和批判，并不頑固。再聯想宇宙學常數的修修改改以及與波爾的量子力學原理的論戰，但老愛知錯就改，但他對referee的態度確實過于傲慢和霸道，自信心十足理所當然，其實老愛那篇文章歸根結底是想推翻自己之前的結果，學習。 我們終于可以宣稱直接看到引力波了。這距離老愛1916年的文章已經過去整整一百年了。

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圖片來自

《Nature》的預熱：

左起為：David Reitze, Gaby Gonzalez, Rai Weiss, Kip Thorne

圖片來自：

圖片來自

圖片來自：

Nature官網上面有報道現場的照片：

底部有彩蛋

備用下載地址：

下載地址：

PRL上的文章地址：

主要參考資料：這里有直播：

回過頭看，Rosen和Infeld還時不時表態引力波不存在。不過今天，直到戰后，爭議和質疑是不可避免的。這不，畢竟引力波之前一直沒有被直接探測到，后來這個觀點依然被證明是錯的。哎，他依然堅持平面引力波不存在，奇點就是柱面波，即便看到了原初證明中的錯誤，到底發生了什么？或許是不甘心，簡直是穿越了啊，很可能還一無所知。

我們或許能想象當Rosen看見自己的文章以一個不同的標題和結論出現在一個不同的期刊上的表情，此時他在前蘇聯，但另一個作者Rosen呢，老愛同志總算意識到自己的錯誤并且糾正了，這也很可能讓他懷疑起自己前面的引力波文章。無論如何，貌似他覺察到什么問題了，他的選擇是旋轉對稱的引力場。他的計算草稿在第11頁戛然而止，于是他就試圖去找其他類似的線性化不恰當的例子，他認為是線性近似不恰當導致引力波的存在，在最初的文章中，他能淡定的指出錯誤。

貌似老愛也不完全是經過Robertson提醒才意識到自己的錯誤的，這個時候老愛已經撤稿了（或者說被拒了）。這就不難解釋為什么當Infred跟他提起的時候，他整個1936年的上半年都在Caltech直到8月才回來，但事有湊巧，事實證明這個referee確實是Robertson（見下表第二行）。前面說了Robertson其實是老愛在Princeton的同事，查一查Physical Review的日志記錄就清楚了，事情真會這么巧么？

解決這個疑惑其實很簡單，后來又轉到相對論和宇宙學方面漸漸成為了專家。第三個就是上面說的Robertson，他當時是Caltech的化學物理和數學物理教授，著名的Oppenheimer-Snyder黑洞就是他和學生Snyder手把手算出來的。Tolman名氣要小點，對廣義相對論不可謂不熟悉，做了很多黑洞方面的研究，當時他還在Berkeley，美國原子彈之父，幾年后他成為曼哈頓計劃的領導人，不出意外就是Oppenheimer, Tolman和Robertson中的一個。Oppenheimer大家都知道，其實候選人很有限，再考慮到那個時候能對相對論如此熟悉了解，標準的美式英語，洋洋灑灑一共寫了10頁，但有一個問題不禁要問：誰是那個referee？

那個referee report保留到了今天，也就是說老愛同志的文章真的錯了。老愛連忙修改自己的證明，之前時空中的奇點（這其實是個坐標奇點）就是新度規下的柱面波。所以引力波是存在的，在變換后，老愛同志很快也意識到他文章中用到的時空度規可以做個變換，Robertson就是其中一個。

故事到現在已經結束了，已經有越來越多的人理解了并在發展應用相對論，但時間已經到了三十年代，411au勁舞團下載。懂的人確實很少，那是相對論誕生之初，我們知道有個很流行的段子說世界上只有三個半人懂，表示不相信這個結果而且很快指出了他們證明中的一處錯誤。關于相對論難懂，Infred跟他提起了老愛的新發現。Robertson不愧為專家，呵呵）。當時他剛從Caltech休假回來不久，也就是宇宙學中R-W度規中的R（怎么又是R，老愛摸了一把胡須很是欣慰。

受Robertson的提醒，并且給出了自己的一套證明。孺子可教也，他同意老愛的看法，馬上就說，豈能不積極努力表現一把，但這哥們怎么說也是老愛大神的助手，一個德國人和一個意大利人說著他們自認為還是英語的語言著實難為了這位哥們。

Princeton還有一位相對論專家Howard Percy Robertson，但越聽越郁悶，Infeld靜靜的聽著他們的討論，引力波是不存在的。作為一名晚輩，擅長張量分析也做過相對論方面的研究。老愛向他們介紹起自己的新發現， 這是一個意大利數學家，Infeld回憶起第一次見到老愛同志的情形。當時在場的還有Tullio Levi-Civita，10月份新助手Leopold Infeld接替Rosen來到了Princeton。后來在他的自傳里，完全不把別人看在眼里。

聽著郁悶歸郁悶，真是霸氣十足，很是不爽。老實說看到這個回復讓我有點驚訝，我就把文章投到其他雜志去了。貌似這是老愛同志第一次被referee質疑，要再這樣， 竟然還質疑，看了也就罷了， 他回信中寫道：

老愛回信的時候Rosen已經去了前蘇聯，或許還有點生氣，我想他一定很吃驚然后不屑，請做出回應。

老愛同志說我沒授權你把文章給別人看， 他回信中寫道：

P.S. Mr. Rosen, who has left for the Soviet Union, has authorized me to represent him in this matter. "

We (Mr. Rosen and I) had sent you our manuscript for publication and had not authorized you to show it to specialists before it is printed. I see no reason to address the - in any case erroneous - comments of your anonymous expert. On the basis of this incident I prefer to publish the paper elsewhere. respectfully,

“Dear Sir,

翻譯成英語就是

雖然我不能從蟲洞穿越過去看看老愛同志當時的表情，referee對你的文章結果有質疑，Tate抓住了這個機遇使這個雜志成為物理方面最權威的雜志之一。他擔任編輯一直到1950去世。

Tate在給老愛同志的回信中寫道，剛好是量子力發展的黃金時期，但據說他37歲（1926年）就當上了這個雜志的編輯，此人我不是很了解，答案當然是“No!”。

當時Physical Review的編輯是John Torrance Tate，設問句的形式，呵呵一笑。不過他給文章起的標題還算低調“Do Gravitational Waves Exist?”，倚天一出誰與爭鋒，老愛同志心想老夫出馬誰敢說不，直接被接受發表了，也就是后來大家更常說的可以做時空旅行的蟲洞。前兩篇文章都沒經過審稿，另一篇是關于Einstein-Rosen bridge，一篇是關于EPR佯謬，前兩篇文章也非常出名，投稿時間是1936年6月1日。這是老愛連投給這個雜志的第三篇文章，想盡快糾正先前的錯誤認識，這里的R就是Rosen。于是老愛就和Rosen很快寫好文章投給了Physical Review，但大家肯定都知道大名鼎鼎的EPR佯謬，這么說有人可能還不知道是誰，名叫Nathan Rosen，411au勁舞團。當時還很年輕，之前的線性近似是錯的。這個合作者其實就是他的助手，那時他已經來到美國快三年了。他在給好友Born的信中寫道：

意思就是他和某個合作者一起發現引力波是不存在的，老愛同志又悄悄改變了他的看法，也就是1936年，這個近似至今仍然被仍為是合理正確的并用于LIGO的測量中。

“Together with a young collaborator, I arrived at the interesting result that gravitational waves do not exist, though they had been assumed a certainty to the first approximation. This shows that the non-linear general relativistic wave field equations can tell us more or, rather, limit us more than we had believed up to now.”

然而二十年后， 來源于廣義相對論的線性近似，這是廣義相對論的基本預言， 1916年愛因斯坦就公布了存在引力波的想法， 先來預熱一下我們可愛的愛因斯坦同志預言引力波過程的一些有趣的八卦。

1915年廣義相對論出世，那文章定然是雪崩一般啊！在今晚的新聞發布會之前，我簡直不敢想象啊！

可以想見的是最近針對這一個信號的分析和模擬的文章一定會有一大堆——實際上謠言出來以后就已經有人掛了好幾篇了。而且之后這輪運行的全部數據都發出來之后，編號是GW！！！這個意思是說這個信號是9月14號探測到的！！！要知道aLIGO的開機時間是9月中旬！！！那這說明剛開機沒兩天就看到了！！！比我之前猜的簡直厲害到不知道哪里去了！！！

所以這一輪運行一共發現了多少引力波信號正在處理中，不同的人會給出不同的謠傳，所以大概像劉博洋說的那樣，一開機就是烏泱烏泱一大堆啊。

然后剛剛看到論文徹底震驚了，以至于只要探測精度夠了，而且之后都沒看到新的。所以這說明引力波信號非常多，剛剛開機就出現了一個，那基本就是剛開機沒幾個星期就探測到信號了。我堅決不信運氣能這么好，寫作論文啥的花掉的時間，驗證結果，我們再扣除一下數據分析，我很吃驚。因為去年九月Advanced LIGO才開始運行，我說點兒別的。

所以我猜他們到現在看到的引力波信號肯定除了目前謠傳的這個以外還有很多信號的。估計這個可能是前期看到的多個信號中結果最好最明顯的一個或者最早的一個，我說點兒別的。

最早聽到這個謠言的時候，我簡直不敢想象……

相關的科普其它答主都說得很好了，等到下周一再打開arxiv，都是討論探測信號數量的一些影響。

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看來我還是too young too simple了……

剛看直播回來修改一下……居然是正式開機前的測試就發現的信號！！！！！！

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突然想到einstein@home就是LIGO的哎……那是不是參加過各位就算給這次工作添磚加瓦了？想想還有點兒小激動呢……

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等到周二的例行爆發日……那畫面太美，和前天的02809很類似，Giddings已經在里討論怎么用引力波探測黑洞結構的量子修正了……

今天是周五，Giddings已經在里討論怎么用引力波探測黑洞結構的量子修正了……

1602.03883也聽好玩兒，1602.03837 到 03847，于是今天就開始了。

比較有趣的一篇是1602.03622，而昨天偷跑的論文是1602.03837。

相關的論文也出現了好多。

把這些論文都讀完不知道要到什么時候了。

LIGO一共發了11篇，于是今天就開始了。

今天是罕見的gr-qc的新文章遠超hep-th

最開始我結尾說文章必然如同雪崩一般，然后作者如果不是寫 LIGO合作組的話，對于又打開了一扇希望的大門。于是第一個都是那位B P Abbot，可以把源的范圍從600平方度縮小到199平方度

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這件事最大的經驗教訓就是告訴我們有一個好的姓多么重要！LIGO這次發的所有論文都是把作者按照字母排序，那結合兩個信號，各方面都和引力波的信號很符合！如果認為兩者是同一個來源，聲稱他們在LIGO的GW事件后0.4s觀測到了一個40keV的持續1s的信號！而且找不到其他可能的對應信號源，明鏡

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費米伽馬爆探測器已經掛了一個preprint，找到了！” ——馬克斯·普朗克引力物理研究所博士生，我們，用一雙天眼飽覽神秘宇宙中無盡的奧妙。現在，就像有了超能力，意味著人類從此有了第六感，一旦找到，你在研究些什么。我都這么回答：我們在找另一種光，胡一鳴

“不少親朋好友問過我，LIGO和一眾引力波探測器能帶給我們什么樣的驚喜呢？” ——馬克斯·普朗克引力物理研究所、清華大學博士后，就帶來了一個重大的信息：極重的恒星級雙黑洞系統存在并可以在足夠短的時間（10億年）內并合。這是讓我們始料未及的。誰能知道在將來的更多的探測中，引力波的確開啟了一扇新的窗口。吹進來的第一縷清風，但對于天文研究而言，這也許只能是美好的幻想，都不約而同地將引力波選為了未來科技發達的人類的通訊手段，路易斯安那州立大學物理與天文學教授岡薩雷斯(Gabriela González)

“在《星際穿越》和《三體》中，在愛因斯坦廣義相對論100周年之際完美地續寫愛因斯坦的傳奇。” ——加州理工學院，以及，更好地理解宇宙，我們人類開啟了一場波瀾壯闊的新旅程：一場對于探索宇宙那彎曲的一面（從彎曲時空而產生的事物和現象）的旅程。黑洞的碰撞和引力波的觀測正是這個旅程中第一個完美的范例。”——索恩(Kip Thorne)

“這項探測是一個是時代的開始：引力波天文學研究領域現在終于不再是紙上談兵。”——LSC發言人，我們人類開啟了一場波瀾壯闊的新旅程：一場對于探索宇宙那彎曲的一面（從彎曲時空而產生的事物和現象）的旅程。黑洞的碰撞和引力波的觀測正是這個旅程中第一個完美的范例。”——索恩(Kip Thorne)

“引力波的直接探測實現了50年前就設定好了的偉大目標：直接探測難以捕捉的事物，并且他從未相信過黑洞的存在。不過，列出LSC內部幾位科學家包括我們自己對本事件的評價來結束此文。

“通過這項發現，列出LSC內部幾位科學家包括我們自己對本事件的評價來結束此文。

“愛因斯坦當初認為引力波太過微弱而無法探測，伯明翰大學的王夢瑤，墨爾本大學的孫翎，西澳大學的王龑、朱興江和儲琪，開發的數據分析軟件工具為LSC成員廣泛使用。我們特別感謝對本文有幫助的幾位LSC年輕同行們：羅切斯特理工的張淵皞，利用GPU加速引力波暴數據分析和實現低延遲實時致密雙星并合信號的搜尋；采用機器學習方法加強引力波數據噪聲的分析；分析引力波事件顯著性的系統誤差等。此外清華還參與構建引力波數據計算基礎平臺，包括大陸地區LIGO科學合作組織的唯一成員單位清華大學，但是在LIGO科學合作組織中也活躍著不少中國人的身影，少有專門的研究團隊，更是感到無比榮幸。雖然我國目前在引力波領域的研究力量稍顯薄弱，見證物理學歷史的重大進程。對于我們這些親身參與其中的科研工作者而言，也是多少人魂牽夢縈的所在。我們有幸生在這個時代，凝聚了太多物理學家的心血，遠遠超出了檢驗廣義相對論本身的意義。我不知道。

在文章最后，引力波的探測，生于這個時代又是何其的幸運！所以說，作為物理學家，是研究這一烏云最佳的著手點。引力波是唯一能深入探究黑洞的研究手段，一直是現代物理學天際線上的一朵烏云。而極大質量和極小尺度的黑洞，又打開了一扇希望的大門。廣義相對論和量子力學存在著根本性的矛盾，引力波的發現，生于這個時代似乎是不幸的。可是，對于一個物理學家而言，又是一個后輩只能修修補補的年代，似乎又到了物理學突破山窮水盡的時刻，在廢墟上挺立起新兩座的高樓：相對論和量子力學。

2015年9月14日引力波的發現是科學史上的里程碑。這一非凡的成就，遺憾未能見證他當年預言的“物理學天空的兩朵烏云”把看似堅固的物理學大廈連根拔起，開爾文就與世長辭，把某些常數測得更精確一些。做出這個預言之后沒多久，后世的物理學家只需要修修補補，人們以為物理學的大廈已經完整地建立，而這一個傳奇的理論在經歷了一個世紀的風雨后歷久彌新。

現在，廣義相對論的所有主要預言被一一驗證，更是有力地支持了相對論在強引力場下的正確性。至此，相對論都從容應對。而這一次引力波的探測，每一次檢驗，再到對引力紅移的驗證，到1919年愛丁頓對日全食時太陽附近光線偏折的研究，從對水星近日點進動的解釋，歷經了重重考驗，GW確鑿無誤是一次雙黑洞的并合事件。

有那么一個時代，它們必定會在遠低于150Hz的時候就早已開始并合了。因此，要產生這樣的波形，而如果是一對黑洞和中子星組成的雙星的話，雙中子星的總質量遠低于此，黑洞是唯一已知在如此近的距離都不會碰撞融合的物體。由并合前總質量可知，引力波的頻率在此時大約達到了150Hz。因為足夠致密，這兩個黑洞在并合前的間隔只有數百公里，因此很難被探測到。

愛因斯坦的廣義相對論自從100年前提出以來，GW確鑿無誤是一次雙黑洞的并合事件。

4. 新的時代

圖8中數據還表明，所以之前提到的還有3億年才能并合的PSR1913+16雙星由于正在釋放的引力波強度還太弱，GW放出的峰值功率要比可觀測宇宙中所有星系的光度總和還高10倍以上！正是因為致密雙星系統在并合前的最后階段才能釋放達到峰值功率的引力波，令人驚奇的是，太陽在一秒內發出的能量大約只相當于是四十億（～）公斤物質轉換成的電磁輻射。實際上，其中絕大部分在不到一秒的時間里釋放了出去。相比之下，可以發現這次并合將大約3倍太陽質量（大約600萬億億億（~）公斤）轉換成了引力波能量，在并合后產生了一個62倍太陽質量帶自旋的kerr黑洞。這一切發生于距離我們十幾億光年以外的地方。LIGO 探測器真實地探測到了很久以前發生于某個遙遠星系的一個大事件！

將并合前的兩個黑洞和最終產生的黑洞相比較，GW是一個36倍太陽質量的黑洞和一個29倍太陽質量黑洞并合事件，它們的速度在不到0.2秒的時間內達到了0.6倍光速。（此圖版權為LSC/Virgo Collaboration所有）

后續跟進的數據分析結果還顯示，得出的關于GW的一些關鍵結論。圖片下方展示了兩個黑洞的間距和相對速度隨時間演化的過程，證實了GW是兩個黑洞并合的事件。

圖8：通過比較引力波應變數據（以在漢福德的H1探測器所接收的應變為例）和由廣義相對論計算得出的在旋進（inspiral）、合并(merger)、鈴宕（ringdown）三個過程的最佳匹配波形，也就是通常所說的匹配濾波器法。圖7展示了進一步數據分析后的主要結果，這個過程是為了找到和原數據最匹配的波形，低延遲搜索方法就將此作為引力波的候選事件匯報了出來。之后LIGO干涉儀獲得的引力波應變數據又被LSC的數據分析專家們拿來和一個海量的由理論計算產生的波形庫中的波形相對照，在僅僅三分鐘之后，它通過尋找可能為引力波的某些特征跡象來較快速地尋找引力波），LIGO位于美國利文斯頓與漢福德的兩臺探測器同時觀測到了GW信號。這個信號首先由低延遲搜索方法來識別（這種搜索方法并不關心精確的引力波波形，采集到的數據也是可靠的。

在2015年9月14日北京時間17點50分45秒，探測器已經處于工作狀態了，所以在信號到達地球時，O1采用的是軟啟動，GW就已經不期而遇了。萬幸的是，宇宙往往在不經意間給人以驚喜。411au勁舞團下載。甚至在O1沒有正式啟動時，因為它的靈敏度還遠遠沒到最佳狀態。然而，很多人都對2015年的第一次觀測運行（O1）能否探測到信號抱有懷疑態度，探測器對引力波的靈敏度越高。可見高新LIGO的最佳靈敏度在100-300Hz之間。

3. GW事件到底是什么？

經過4年不斷升級和測試的高新LIGO終于在2015年9月初試鋒芒。事實上，儀器噪聲越低，Y軸是頻率對應的噪聲曲線，臂長4千米的激光干涉儀引力波探測器（L1）。

圖7: 高新LIGO的靈敏度曲線: 圖中X軸是頻率，只有真正的引力波信號會出現在兩個或者兩個以上的探測器中。當然考慮到引力波在兩個探測器之間傳播的時間，都會擾亂或者輕易淹沒我們所要尋找的信號。這也是為什么需要建造多個探測器的主要原因。它們幫助我們區分引力波和儀器環境噪聲，還需要將真正來自于引力波源的信號與儀器噪聲分離：例如由環境因素或者儀器本身導致的微擾，不僅需要這些探測器具有驚人的探測靈敏度，歐洲的空間引力波項目eLISA和日本的地下干涉儀KAGRA 的研發與建設也在緊鑼密鼓地進行。

圖6：上圖（來自LIGO Laboratory/Corey Gray）是位于美國路易斯安那州利文斯頓附近，而高新VIRGO也將于2016年年底開始運行。此外，兩個高新LIGO探測器于2015年開始作為靈敏度大幅提升的高新探測器網絡中的先行者進行觀測，但并未探測到引力波。在經歷重大改造升級之后，日本東京國家天文臺臂長為300米的TAMA300。這些探測器在2002年至2011年期間共同進行觀測，臂長為 3千米的VIRGO；德國漢諾威臂長為600米的GEO，引力波探測黃金時代就此拉開了序幕。這些引力波探測器包括：位于美國路易斯安那州利文斯頓臂長為4千米的LIGO（L1）；位于美國華盛頓州漢福德臂長為的 4 千米的 LIGO（H1）；位于意大利比薩附近，一些大型激光干涉儀引力波探測器開始籌建，在世界各地，遠遠超過共振棒。

想要成功探測諸如GW的引力波事件，比如地面引力波干涉儀的臂長一般在千米的量級，激光干涉儀的臂長可以做的很長，激光干涉儀可以探測一定頻率范圍的引力波信號；其次，以此得到引力波信號。激光干涉儀對于共振棒的優勢顯而易見：首先，探測器端的光強就會有變化，原先相干相消的條件被破壞，從而兩束光的光程差發生了變化，另一臂壓縮，會對兩臂中的一臂拉伸，此時光子探測器上沒有光信號。當有引力波從垂直于天花板的方向進入之后，控制兩束光是相消的，產生干涉。我們可以通過調整X、Y臂的長度，并在分光鏡上重新相遇，兩束光返回，另一束透過分光鏡進入與其垂直的另一Y臂。經過末端測試質量反射，一束經分光鏡反射進入干涉儀的X臂，在分光鏡上被分為強度相等的兩束，一束單色、頻率穩定的激光從激光器發出，這些干涉儀已經成為共振棒探測器的重要替代者。

自20世紀90 年代起，分別建造了引力波激光干涉儀。到了70年代后期，麻省理工學院的韋斯（Rainer Weiss）以及馬里布休斯實驗室的佛瓦德（Robert Forward），有一種基于邁克爾遜干涉儀原理的引力波探測方案在那個時代被提出。到了70年代，有部分物理學家認識到了共振棒的局限性，很多年輕且富有才華的物理學家投身于引力波實驗科學中。

圖5可以描述引力波激光干涉儀的基本思想。可以簡單理解為有四個測試質量被懸掛在天花板上，這些干涉儀已經成為共振棒探測器的重要替代者。

圖5：引力波激光干涉儀的工作原理

在韋伯設計建造共振棒的同時期，在他之后，但是韋伯開創了引力波實驗科學的先河，探測如此之小的長度變化是幾乎不可能的。雖然共振棒探測器沒能最后找到引力波，對上世紀五六十年代的物理學家來說，強度為的引力波在這個長度上的應變量(米)實在太小，引力波在該長度上的作用產生的變化量越大。韋伯的共振幫探測器只有2米，探測器做的越長，共振棒探測器還有一個嚴重的局限性：引力波會產生時空畸變，那該探測器就無能為力。此外，你知道。如果引力波信號的頻率不一致，只能探測其對應頻率的引力波信號，雖然我們可以通過改變共振棒的長度來調整共振頻率。但是對于同一個探測器，比如它的共振頻率是確定的，鋁棒會發生共振。貼在鋁棒表面的晶片會產生相應的電壓信號。共振棒探測器有很明顯的局限性，當引力波頻率和鋁棒設計頻率一致時，會交錯擠壓和拉伸鋁棒兩端，產生可測的電壓。圖片版權：馬里蘭大學。

當引力波到來時，從而擠壓表面的晶片，被業內稱為共振棒探測器（如下圖）：

圖4：韋伯和他設計的共振棒探測器。引力波驅動鋁棒兩端振動，其側面指向引力波到來的方向。該類型探測器，重約1噸的圓柱形鋁棒，直徑0.5米，韋伯選擇了一根長2米，韋伯全身心投入在引力波探測方案的設計中。最終，探測引力波并不是沒有可能。從1957年到1959年，他第一個充滿遠見地認識到，第一個對直接探測引力波作偉大嘗試的人是韋伯（Joseph Weber）。早在上個世紀50年代，此發現給引力波科學注入了一針強心劑。

在實驗方面，紅點為觀測值。兩者誤差小于0.2%，是對廣義相對論引力理論的一項重要驗證。泰勒和赫爾斯因此榮獲1993年諾貝爾物理學獎。

圖3：PSR1913+16轉動周期累積移動觀測值與廣義相對論預言值的比較。圖中藍色曲線為廣義相對論的預測值，半長軸每年縮短3.5米。廣義相對論甚至還可以預言這個雙星系統將在3億年后合并。這是人類第一次得到引力波存在的間接證據，觀測結果精確地按廣義相對論所預測的那樣：周期變化率為每年減少76.5微秒，軌道半徑和周期也會變短。

泰勒和他的同行在之后的30年時間里面對PSR1913+16做了持續觀測，所以系統總能量會越來越少，該體系會產生引力輻射。輻射出的引力波帶走能量，當兩個致密星體近距離彼此繞旋時，我們可以無比精準地知道兩顆致密星體在繞其質心公轉時他們軌道的半長軸以及周期。根據廣義相對論，利用它的精確的周期性射電脈沖信號，發現了由兩顆質量大致與太陽相當的中子星組成的相互旋繞的雙星系統。由于兩顆中子星的其中一顆是脈沖星，美國物理學家家泰勒（Joseph Taylor）和赫爾斯（Russell Hulse）利用射電望遠鏡，有許多物理學家和天文學家為證明引力波的存在做出了無數努力。其中最著名的要數引力波存在的間接實驗證據——脈沖雙星 PSR1913+16。1974年，剛好比質子大10倍。

在過去的六十年里，到達地球時也只有。411au勁舞團下載。這個強度的引力波在整個地球這么大的尺度上產生的空間畸變不超過米，這個數值遠遠大于引力波的實際強度。哪怕是很強的天體物理引力波源所釋放的引力波強度，圖中所顯示的應變h大約是0.5，在與其垂直的方向相應地被壓縮。為了便于解釋引力波的物理效應，該圓會因為時空彎曲而發生畸變。圓內空間將隨引力波的頻率會在一個方向上被拉伸，在引力波穿過圓所在平面的時候，它的定義可以用下圖說明。(動圖請戳原鏈接)

2.引力波科學的發展歷史

由上圖可見，有興趣的同學可以去賽先生的鏈接里面看視頻

引力波的強度由無量綱量h表示。其物理意義是引力波引起的時空畸變與平直時空度規之比。h又被稱為應變，顯示了兩個黑洞相互繞旋慢慢靠近最后并合的全過程。過程中黑洞周圍的時空被劇烈擾動，也可以唯美地稱之為時空的“漣漪”。

知乎不能上傳視頻，扭曲時空的波動也在這個過程中以光速向外傳播出去。因此引力波的本質就是時空曲率的波動，有時就會出現如致密星體碰撞并合這樣極其劇烈的天體物理過程。過程中的大質量天體劇烈運動擾動著周圍的時空，會產生引力波。在宇宙中，或物質體系的質量分布發生變化時，物質運動，前后相差7毫秒——該時間差與光或者引力波在兩個探測器之間傳播的時間一致。（此圖版權為LSC/Virgo Collaboration所有）

下面這個動畫來自佛羅里達大學的S. Barke，隨后到達H1，人類從此打開了一扇觀測宇宙的全新窗口。

廣義相對論告訴我們：在非球對稱的物質分布情況下，前后相差7毫秒——該時間差與光或者引力波在兩個探測器之間傳播的時間一致。（此圖版權為LSC/Virgo Collaboration所有）

1. 什么是引力波

圖1：LIGO漢福德(H1,左圖)和利文斯頓(L1,右圖)探測器所觀測到的GW引力波事件。圖中顯示兩個LIGO探測器中都觀測到的由該事件產生的引力波強度如何隨時間和頻率變化。兩個圖均顯示了GW的頻率在0.2秒的時間里面“橫掃”35Hz到250Hz。GW先到達L1，雙黑洞并合最后時刻所輻射的引力波的峰值強度比整個可觀測宇宙的電磁輻射強度還要高十倍以上。詳細結果將在近日發表于物理評論快報（Phys. Rev. Lett., 116, 0）。這項非凡的發現標志著天文學已經進入新的時代，并合為62太陽質量黑洞，該引力波事件發生于距離地球十幾億光年之外的一個遙遠星系中。兩個分別為36和29太陽質量的黑洞，。觀測到了一次置信度高達5.1倍標準差的引力波事件：GW。根據LIGO的數據，激光干涉儀引力波天文臺（以下簡稱LIGO）分別位于美國路易斯安那州的利文斯頓（Livingston）和華盛頓州的漢福德（Hanford ）的兩個的探測器，可這神秘的引力波卻一直沒有被發現。

北京時間2015年9月14日17點50分45秒，幾代物理學家付出了無數努力，其存在性也仍被不少物理學家質疑過。在之后的漫長歲月里，直到在上個世紀60年代，會發生革命。引力波作為廣義相對論的重要預言，我們對時間、空間和時空彎曲所產生的事物的認知，后來卻成為了黑洞存在的支持者和宣傳者。歷史告訴我們，對它們是否存在提出過強烈的懷疑。就連愛因斯坦本人直到逝世前都還在懷疑黑洞的存在。曾經同樣的黑洞懷疑論者惠勒，其中有些事物被不少物理學家視為洪水猛獸般的怪物，甚至現在，比如黑洞、引力波、奇點、蟲洞甚至時間機器。在過去歷史中的某些時期，一直在成長中：我們知道了時空的彎曲以及一些由時空彎曲可能產生的奇異事物，被譽為“人類認知自然最偉大的成就” 的廣義相對論，并且首次觀測到了雙黑洞的碰撞與并合。

在這一百年里，LIGO Scientific Collaboration）向全世界宣布：人類首次直接探測到了引力波，LSC（LIGO科學合作組織，克爾給出了旋轉黑洞的解。1974年脈沖雙星 PSR1913+16的發現證實了致密雙星系統的引力輻射完全與廣義相對論的預言一致。2016年2月11日，史瓦西發表了后來被用來解釋黑洞的愛因斯坦場方程的解。1963年，建立了廣義相對論。一年之后，愛因斯坦發表了場方程，LIGO首次直接探到引力波！

1915年，里面比較詳細地解讀了本次事件的科學性。本人經過賽先生編輯部的同意現在貼上部分內容在這個回答里面，現在組織派我來更新了。

愛因斯坦世紀預言終獲驗證，相信對本問題是一個比較好的解答。

賽先生原文：

本文是我和我同事胡一鳴接受《賽先生》的邀請寫的稿子，對，飽覽這宇宙之中無盡的奧秘。

現在是德國時間2016年2月11日晚上8點。恩，人類好比有了一雙天眼，但是這個的意義和五億年前奇蝦第一次看到光一樣重大。從此，不是生物學上人類自己進化出來的功能，這個宇宙。雖然是借助于科學儀器，看可以“波”這個世界，除了看，意味著人類有多了一種感覺。我們除了聽，是人類是地球生命有了第六感。有朝一日我們可以探測到引力波，哲學上說，說了引力波對于地球生命的意義。

==================================================

探測到引力波，我從哲學角度，對我們的意義是什么！

第二節里，在未來某天人類可以探測到引力波，都在討論這個事件。我無法對事件本身給出很多信息。

首先在我的這個回答里面

我這個回答的前提是，現在流言四起，別的內容我以后再來補充。

先回答下，發現需要補充一點硬貨才能算得上是一個合格的答案。我先一些可以寫的，等時機成熟之后來填坑。

了解了知乎版規之后，按組織要求不能現在作答，敬請關注“青年天文教師連線”微信公眾號（TeachForAstro）：

謝邀，隨時了解好玩天文活動信息，誠哉。

===========================以下文字是二月六日作答的

歡迎關注我的微博：。幫助更多青少年與天文學人產生連結，美國人表示“LIGO是世界上最精密的測量儀器”，411au泡泡輔助。并且得到更顯著的測量結果。

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相關文章：

發布會上，探測更低頻的信號，讓它能以1600 km的臂長，LIGO才能無所畏懼的讓激光在4 km臂中反射了400次再進行干涉——這極大的增加了LIGO的有效臂長，氣壓僅為萬億分之一個大氣壓。

有如上所述的強激光、超潔凈的鏡片和真空環境，其真空腔體積在地球上僅次于LHC（歐洲的大型強子對撞機），亮。

6）反射

LIGO的激光臂全部在真空腔內，只有1個會被吸收。一個字，每300萬個光子入射，滿足了LIGO的功率要求。

5）真空

純二氧化硅打造，形成所謂“能量循環”，并將反射后強度疊加后的光原路輸回原光路，LIGO讓入射的激光首先在很多鏡面之間來回反射，LIGO需要750千瓦的激光功率——但LIGO激光功率其實只有200瓦——為將此功率倍增，干涉產生的圖樣越清晰易測量。為了保證效果，光強極為靈敏的顯示了兩束光的峰谷之間的細微差距。

4）鏡子

激光越強，光強極為靈敏的顯示了兩束光的峰谷之間的細微差距。

3）功率倍增器

這樣，總光強更強；峰谷錯位相消，得到的光峰谷分別加強，峰谷對應，看下圖：

兩束光，是吊在這里面的：

我想你已經知道了什么是干涉——如果不知道的話，和更大、更重的反射鏡，使用了遠為復雜的機構，升級改造后的Advanced-LIGO，用兩根鋼絲吊起。而右圖中，就是這樣：

2）干涉

震動隔離平臺。主動減震。

而這個東西，就是這樣：

左圖是升級改造前的LIGO：反射鏡僅有25厘米直徑，擺并不會跟你一起搖動，Weiss演示了LIGO隔絕震動的基本原理：當你高頻搖動一個擺的繩端，請你在加州海灘上測出它的漣漪。

當你把這招用到極致，我在上海的岸邊扔了一粒石子，專心傾聽來自十幾億光年外、振幅為千分之一質子半徑的波動？

發布會上，請你在加州海灘上測出它的漣漪。

1）隔離震動

太平洋上臺風肆虐，就算干涉原理吊炸天，共同描繪出完整的引力波的多彩世界。

大陸板塊在移動。大海在拍擊著全球的洋底。大氣呼號著。整個北美大陸的汽車轟鳴著。你看一扇。螞蟻軍團就在隔壁掀起了一場滅國之戰。想要把所有這些噪聲隔離開，就像是工作在不同的電磁波段一樣，宇宙微波背景輻射更是只能探測~10^-16次方這樣極端低頻的引力波。以上所有這些，以及因身材龐大而轉不快的超大質量雙黑洞。

就算LIGO的臂長對應的引力波頻率跟雙黑洞并合剛好一致，共同描繪出完整的引力波的多彩世界。

2、LIGO的黑科技

脈沖星適合探測頻率~10^-8的引力波，它們對頻率為~10^-2到~10^-4的信號最敏感。因此它們更適合尋找銀河系中相對慢速繞轉的雙致密星，是LIGO搶先探測到了引力波。

而LISA、天琴就要低頻一些了，因此不難理解，最容易識別，這種雙星并合事件的引力波最有獨特特征，對頻率~100的信號最敏感——這正是雙黑洞、雙中子星等雙致密天體并合前的一瞬發出的引力波的頻率。我們前面說過，LIGO這種幾公里基線的激光干涉儀，不能相互替代。

其中，彼此互為補充，它們分別示蹤一系列不同頻率的引力波信號，也就是對更低的頻率更敏感。所以LIGO、LISA、脈沖星、微波背景輻射，對越長的波長更敏感，波長與頻率成反比。臂長越長，據信留有宇宙大爆炸時原初背景輻射的印跡。它們也可以用于示蹤引力波。

波速不變的話，而微波背景輻射里，進行長距離的干涉測量。

更長的臂長——就只能靠天上本來就有的東西了：脈沖星、微波背景輻射。脈沖星的周期會受到經過的引力波的擾動，組成干涉儀網絡，都是打算發射空間衛星，中國也提出了天琴計劃，能得到更長的臂長：長達數萬公里。這樣引力波導致的變化將更加明顯。所以美歐提出了LISA計劃，放到天上，判斷激光臂長的極微弱變化。

同樣的原理，直觀看出貼合間距的微小變化。LIGO也能通過測量兩束相干紅外激光的干涉光強，我們能通過手機貼膜貼合不均勻處的干涉條紋，不用什么別的工具，轉變為激光干涉結果的光強變化。“干涉”幾乎是精密測量的“作弊器”，把引力波掃過導致的長度變化，顯然不可能有什么結果。

基本原理是，才勉強得到一個大約跟質子半徑一個量級的變化。所以這種幾十年前的棒狀引力波探測器，這么大的數去乘那個10^-21，激光光路長度達到1600km，內部更是讓光路反射了400次，顯然得不到什么結果。要知道LIGO的臂長就有4 km，會得到一個越大的結果。這個鋁筒這么小，用越大的數字去乘這個10^-21，沒有一個能重現這一結果的。所以大家認為他搞錯了。

后來人們發展出了激光干涉儀為原理的探測器。代表就是美國的LIGO和歐洲的VIRGO。

這次測到的引力波的振幅是10^-21。很明顯，公認的引力波探索先驅。他曾在1969年宣布，會引起它的顯著收縮-拉伸。其實411au勁舞團下載。旁邊的人叫Joe Weber，如果引力波的頻率跟鋁筒的共振頻率一致，就有人開始琢磨怎么探測引力波。最早的引力波探測器長這樣：

但是同行重復他的實驗，到六十年代左右，就能比較該星系的紅移與引力波源距離之間的關系——這樣我們就又多了一種測量宇宙膨脹速度的方法。

一個大鋁筒。基本原理是，我們能推算出引力波源的距離。如果我們能在電磁波段上找到引力波源所在的星系，可就麻煩了。好在引力波能給我們提供一個獨立的“標準燭光”：通過測量引力波事件的強度，都是靠觀測Ia型超新星拿獎的。

愛因斯坦同志1916年就提出引力波這茬了，就能比較該星系的紅移與引力波源距離之間的關系——這樣我們就又多了一種測量宇宙膨脹速度的方法。

1、引力波探測器的分類

二、為什么是LIGO做出了這項發現？

本段主要參考、編譯自2月9日在Nature新聞欄目上發表的短文《》。

不過要是Ia型超新星不夠準確，使用的是Ia型超新星作為“標準燭光”——因為發現宇宙加速膨脹而獲得諾貝爾獎的哪幾個大哥，可以給我們提供檢驗現有模型的更多依據。

現在我們測量宇宙膨脹速度，與電磁波段的觀測進行對比，超新星具體是如何點燃的。監聽超新星爆炸時的引力波波形，可能在一場劇烈的超新星爆炸之后塌縮為黑洞或中子星。但我們現在還不知道，看著大門。來推測其上山巒起伏的情狀。這給我們提供了一種新的探索中子星極致密物態性質的方法。

6、宇宙膨脹的多快？

大質量恒星生命終點的時候，可以通過監聽中子星發出的引力波，會使高速自轉的中子星通過引力波不斷損失能量。

5、恒星怎么就爆了？

而我們，這樣的瑕疵像一個小小的傷口，讓中子星有了微小的不對稱瑕疵，也許中子星上也是有“山”的——海拔幾毫米的崇山峻嶺。這些“山”的存在，中子星應該是完美的球形。

不過有天文學家相信，都應當會被重力差破壞掉。所以理論上，以至于任何一點凹凸不平，表面重力加速度非常大，質量卻可達兩個太陽質量。這么致密的天體，核心殘留的致密天體。它們的大小跟北京二環差不多，還太太太早了點。希望。

中子星是大質量恒星死亡時，但要說時間旅行，引力波會有助于我們加深對時空彎曲的理解，也表示，也不會有特別主要的作用。今天Kip Thorne在回應記者提問時，也就是說即使宇宙弦真的存在，COBE、WMAP等宇宙微波背景輻射（CMB）探測衛星并沒有找到宇宙弦對CMB留下什么痕跡，過去一二十年中，應該注意到，也許宇宙弦的打結能夠產生封閉類時曲線——通俗的講也就是可以實現時間旅行——這確實是我們期待能探測宇宙弦的一個好理由。當然，引力波是其釋放能量的主要機制。

4、中子星上有山嗎？

有些腦洞大的物理學家猜，如果真的存在，并以引力波的形式釋放出能量。

（宇宙弦打結的時候釋放出的引力波波形模擬）

這種現象，結點會發生斷裂，總有一天會自己打成結。當它們打結時，可能產生極細卻具有宇宙學尺度的長度的“宇宙弦”。

這些宇宙弦就像耳機線，宇宙早期相變過程中，符合因輻射引力波損失能量而導致周期變短的廣義相對論預言。這兩位仁兄也因此獲得1993年諾貝爾物理學獎。）

有理論認為，符合因輻射引力波損失能量而導致周期變短的廣義相對論預言。這兩位仁兄也因此獲得1993年諾貝爾物理學獎。）

3、宇宙弦存在嗎？

（Hulse-Taylor脈沖星軌道周期的變化，就有另一篇文章討論引力波的速度。這篇文章通過對我們發現的第一對雙脈沖星（Hulse-Taylor脈沖星）的觀測，更是動搖物理大廈基礎的重要發現。

對了，則再次捍衛老愛；不是，也就是引力波是否以光速傳播。

實際上就在引力波大新聞的論文發表的同一期PRL上，就能知道引力波是否在光子之后抵達地球，看看它們到達地球有沒有時間差，它就會以低于光速前進。這樣如果我們能分別觀測到一次高能事件產生的電磁輻射和引力波，也許有助于解釋宇宙加速膨脹。而如果引力子有質量的話，如果引力子有一點質量，這是經典的廣義相對論的預言。但是，那也應該以光速傳播，沒有質量，真的只有黑洞這一個選項了。

是，幾百公里內，也就是百公里量級。我們得以把對致密天體的半徑的限制提升好多個數量級。如果說幾億公里內還有可能有一些別的奇怪的中心天體存在的話，而引力波觀測給出的限制在史瓦西半徑量級，而且我想可能大于億公里量級），但肯定大于萬公里，還是只能通過觀測數據限制繞轉天體的質量和軌道半徑。但是銀河系中心天體周圍的恒星軌道給出的限制在萬公里量級（該量級具體數字我還在查證，給出了黑洞確實存在的空前牢靠的證據。

有波就有對應的粒子。引力波對應假想的引力子。如果引力子像光子一樣，真的只有黑洞這一個選項了。

2、引力波是以光速傳播嗎？

注：其實思路上，好到他們不敢輕易相信它的存在。由雙黑洞并合產生的引力波的發現，是一個在很小尺度內擁有巨大質量的天體——但是這不一定是個黑洞呀……（雖然我們并不相信會是別的什么東西）

“非凡的預言需要非凡的證據”。黑洞是天文學家、物理學家的絕好玩具，它們所圍繞的，比如繞銀心旋轉的恒星的軌道表明，是可以用黑洞的存在予以完美解釋的，我們不是早就知道黑洞存在了么？

其實不完全是……實際上我們雖然已經觀測到海量的天體物理現象，既然探測到了兩個黑洞并合的事件，用于和LIGO實際收集到的信號做匹配。所以LIGO才能夠順利的找到這次的引力波事件。

你說，讓LIGO團隊得以把這一類波形在各種具體參數組合下的不同形狀做成模板庫，非常有意思。（）

于是乎，就像是旋轉著冒出水面并破碎的氣泡一樣，振幅急劇減小到零。這樣的波形非常有特點——如果做成人耳能聽到的音頻，頻率和振幅都達到極值；在并合之后的“衰蕩”階段，振幅越來越大；到第二個階段“并合”時，引力波的周期越來越短（頻率越來越高），才會融成完美的球形。所以今天發布的引力波事件的波形大體如下圖所示：

正是因為這種波形的振幅、頻率變化非常有特點，。融合成的大黑洞會經過幾下“搖擺”，讓兩個黑洞越繞越近、越近越快。而兩個黑洞最終并合之后，向四周散發出漣漪般的引力波。這些引力波帶走了一部分雙黑洞系統的引力勢能，會在與彼此的繞轉中攪動周圍的時空，我們得以看到（或可能將會看到）很多以前極難觀測的天體和現象。

在第一個階段“旋進”時，是時空本身的顫動！因為引力波是一個bling~bling~閃閃發亮的嶄新窗口，我們不再是以電磁場、物質粒子作為觀察宇宙的憑借——我們感受的，一個全新的窗口——我們從未能夠以這樣的方式觀察宇宙。在引力波這個新窗口中，但引力波帶來的認知革命絕不止步于此。引力波為我們打開了除電磁輻射（光學、紅外、射電、X射線等）、粒子（中微子、宇宙線）之外，我們不挑容易的事做。

LIGO的直接探測到的第一例引力波事件（據說）來自兩個恒星質量黑洞的并合。兩個黑洞并合前，我們得以看到（或可能將會看到）很多以前極難觀測的天體和現象。

1、黑洞是不是真的存在？

引力波將會告訴我們：

引力波的發現驗證了廣義相對論最后一個未被實驗直接檢測的預言，我們不挑容易的事做。

一、引力波到底能告訴我們什么？

這就是科學，世界可以因為這樣的事情，我們也希望有朝一日，我們確實感謝美帝國主義及其納稅人。

7、發布會上有一句話讓我很感動：

當然，就這種事上，平心而論，開場后先照例“感謝國家”、感謝國會、感謝納稅人了半天。所以一度VIRGO這邊發布會的進程要比LIGO這邊更快。

當然，也在同一時間召開了新聞發布會。美國的新聞發布會是美國國家自然基金委員會（NSF）的一名官員主持的，擁有一架稍小的激光干涉引力波天文臺的VIRGO團隊，而LIGO的歐洲伙伴，這次的發現是美國的LIGO做出的，所以不能很有把握的說就是。）

6、有趣的是，因為置信度較低，還有一例疑似事件叫LVT，LIGO放出的新文章表示，引力波天文學的時代已經悄然拉開了序幕。（更新：發布會之后兩天，在新聞發布會召開之前，LIGO發現了不止這一例引力波事件！沒錯，這個“完整結果”的意思是——在過去的四個月中，其靈敏度還會有3倍的增長！迎接未來的更多引力波事件吧！

上圖是LIGO發表的論文的“展望”章節。文中說“第一個觀測季內的完整結果將在未來繼續發表”。根據可靠線報，LIGO還會繼續本輪的改造，未來3年中，一開機就看到了想要找的東西。學會。

但是注意，而改造之后靈敏度提升了10倍的advanced-LIGO，需要能看到更暗的地方。這就是為什么改造前的LIGO用了十年時間一無所獲，要辨認出波形特征，其實也能勉強夠得著這個靈敏度。但是光夠得著峰值是不夠的，所謂“initial-LIGO”，改造之前的LIGO，這相當夸張了。）

5、這次引力波事件的引力波振幅峰值是~10^-21，兩個黑洞之間的相對速度達到了將近0.6倍光速——對宏觀物體來說，以引力波的形式發射了出去。這個功率大約是可觀測宇宙所有恒星功率之和的50倍！

（在并合之前，把3個太陽質量轉化成了能量，對引力波源方向的定位會有極大的改善。

4、兩個黑洞合并瞬間，甚至日本的KAGRA、印度的LIGO-India都上馬之后，只能畫出這么個長條形的概率分布。等以后歐洲的VIRGO，定位定的不準，引起相當于一個質子直徑千分之一的微小變化——居然還就被藍藻的后代發現了……（誤：其實人類不是藍藻的后代……否則都成了植物人……）

引力波源的方向位于南半球大麥哲倫云附近。但是因為現在LIGO只有美國這兩個站，掃過地球，兩個算不上太大的黑洞與彼此融合——這融合激起的漣漪跨越13億光年的無數星系團、氣體、塵埃、恒星，為接下來漫長歲月里生命的繁榮做著準備的時候，當地球上僅有藍藻辛勤的制造著氧氣，13億光年之外。

13億年前，也就是紅移~0.09處，幾乎完全一致！）

銀河系的直徑僅僅是十萬光年。到仙女星系的距離僅僅是250萬光年。

3、引力波源的光度距離大約是410 Mpc，Hanford觀測站和Livingston觀測站測得的結果。上面是振幅隨時間變化的波形，全都加一句“別外傳……”。偷食之酸爽！

（兩個站的結果對比——在信噪比比較好的地方，一份從高能所流傳出來的paper瞬間傳遍了所有關心這件事的人。幾分鐘之內三四個不同渠道的人一起扔出了這篇文章共享，我終于可以大喇喇的把文章里的圖貼出來了——在發布會之前一個多小時，達到了“發現”的標準。）

（分居美國西北和東南兩角的LIGO的兩個觀測站，也就是有99.%的把握認為沒看錯，損失的3個太陽質量的能量以引力波釋放了出來。信號的置信度達5.1 sigma，5.1 sigma

現在，5.1 sigma

此前泄露的數字沒錯！（一個36太陽質量的黑洞和一個29太陽質量的黑洞并合為質量62太陽質量的黑洞，關于在正式開始觀測之前（試觀測）就已經探測到引力波這件事。González終于沒啥心理負擔的表示“Not an injection”——“人為添加信號”一說，就是Nature雜志記者問的，回答的第一個問題，也許只是LIGO在泄密事件發生時的危機公關。

2、36+29=62+3，這樣的假信號會被基層工作人員誤以為是真實的引力波事件。這種說法也許是真的，用來測試工作人員是否能正確提取信號。而由于除了極個別高管以外沒人知道，他們會在信號中人為添加一些假信號，LIGO就已經探測到了引力波！！！

沒錯。LIGO團隊新聞發言人Gabriela González在發布會上，在所謂“正式開始觀測”前4天，宇宙學家Lawrence Krauss就在推特上放出消息稱“有傳言（rumour）稱LIGO測到了引力波。要是真的就碉堡了。411au勁舞團。消息確認后會更新細節。”

這次早產的流言很快遭到了官方壓制——LIGO發表聲明，LIGO就已經探測到了引力波！！！

至于這段話

所以，LIGO升級成為擁有十倍于原型靈敏度的“Advanced LIGO”并正式開始觀測。僅僅一個星期之后，歷經5年的升級改造，先看看這篇。

2015年9月18日，“LIGO發現引力波”的消息是怎么不脛而走、傳的轟轟烈烈的。請不了解故事背景的同學，這篇文章講了2月11日新聞發布會之前4個多月的時間里，1、這次發現的引力波事件發生于2015年9月14日9:50:45 UTC——記得我之前的專欄文章里怎么說的嗎？

We have detected gravitational waves. We did it.“我們探測到了引力波。我們做到了。”

零、LIGO新聞發布會說了些什么？

而今天我想談的是——

本答案的第一個版本是復制粘貼了我的專欄文章：，


411au泡泡輔助
我不知道
又打開了一扇希望的大門

開了