核心概念天文与物理收藏的文章发布日期:2022年11月1日

引力波——观察宇宙的新窗口

作者

巴里·巴里斯

年轻的评论家

Jiarui

摘要

想象一下，你可以选择一双新的眼睛，帮助你看到你以前从来没有看到过的东西。也许你会选择超人的x光视力，或者你更喜欢放大微小的事物，看到微观世界的奇迹。科学最近获得了一双新的眼睛——一种观察宇宙奥秘的新方法——利用引力波，引力波是由重力本身产生的波。在这篇文章中，我将带你踏上一段旅程，从对引力的解释开始——从艾萨克·牛顿的经典观点到阿尔伯特·爱因斯坦的现代和更复杂的观点。然后，我将解释大质量物体的运动如何产生引力波，引力波是空间和时间上的涟漪，以及它们如何被用来解释宇宙的一些奥秘，甚至帮助我们了解地球的起源。

巴瑞什教授和几位教授共同获奖。Rainer Weiss和Kip Thorne, 2017年诺贝尔物理学奖，表彰他们对LIGO探测器和引力波观测的决定性贡献。

万有引力——从牛顿到爱因斯坦

1687年，伟大的英国数学家和物理学家艾萨克·牛顿爵士出版了他的名著《原理》。1]，他在书中提出了他的理论重力-科学上第一个“普遍”理论。牛顿的理论证明，两个物体之间的引力与它们质量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比。这听起来很复杂，但这意味着物体的质量越大，彼此距离越近，它们对彼此的引力就越强。虽然这是事实，但事实证明牛顿的奇妙理论有一些局限性。

首先，你有没有想过，为什么苹果从树上掉下来，它就掉下来了下来而不是向上？当你跳起来的时候，为什么你会回到地面而不是向上飞呢?牛顿的理论实际上并没有回答这些简单的问题。它只告诉我们量这两个物体相互作用的引力，就像苹果和地球之间的引力，或者你和地球之间的引力。牛顿的理论没有考虑方向物体之间的力(朝向彼此或远离彼此)也不能解释第一个宫殿里的重力从何而来(图1)．

图1 -艾萨克·牛顿成功的引力理论有几个局限性。

**(一)**你有没有想过，为什么当你跳起来的时候，你会掉回地球，而不是飞向天空?是什么吸引你回到地球?牛顿的理论不能回答这个问题。**(B)**当一个苹果从树上掉下来时，观察者需要时间才能知道它发生了，因为信息以光速传播。牛顿的理论假设观察者看到苹果瞬间掉下来，恰好在苹果掉下来的同一时刻。这两个局限都被爱因斯坦的引力理论解决了。

牛顿理论的第二个难点有点难以理解。想象一下太阳突然消失了。如果它现在消失了，我们需要大约8分钟才能看到它已经不在了，因为从太阳发出的光到达我们需要8分钟。宇宙中发生的其他事情也是如此——信息从事件传递到观察者需要时间。因此，当一个苹果从树上掉下来时，观察者需要一段时间(即使只有几分之一秒)才能知道到底发生了什么(图1)．牛顿的理论没有考虑到这个时间间隔，因此，根据他的理论，观察者看到的苹果下落的时间恰好是苹果实际下落的时间。我们知道现实并非如此;因此，我们可以得出结论，牛顿的理论中缺少了一些东西。

我们如何解决牛顿理论提出的这两个难题呢?幸运的是，在牛顿之后200多年，受人爱戴的物理学家阿尔伯特·爱因斯坦提出了一个解决方案。1915年，爱因斯坦发表了一个新的引力理论，称为广义相对论[2］．爱因斯坦的理论以一种完全不同的方式看待万有引力，它帮助我们理解牛顿理论无法解释的事情。这并不意味着牛顿的理论是错误的或没有帮助的——它只是意味着它是不完整的，新的理论有助于我们以更深入的方式理解事物。爱因斯坦的理论认为，在任何大质量物体周围，空间和时间都会受到影响，变得扭曲或弯曲，这就产生了一种对该物体的拉力。

这里有一个简单的方法来理解爱因斯坦的引力概念。想象一下把一颗弹珠放在平坦的蹦床上。大理石保持静止不动(图2一个)．但是，如果你把一个大保龄球放在蹦床的中心，这会使蹦床弯曲，弹珠就会向蹦床的中心下落(图2 b)．沉重的保龄球的存在扭曲了蹦床所占据的空间，使弹珠向保龄球移动，就好像被它吸引了一样。这基本上就是爱因斯坦广义相对论中的情况。任何质量的存在都会扭曲它周围的空间，从而在质量之间产生吸引力。这张引力图回答了牛顿无法回答的问题:引力为什么(以及如何)产生吸引力，为什么你会下落向当你跳起来的时候看到地球吗?第二个与时间有关的问题也被爱因斯坦解决了，因为他的理论把光速考虑进去了。在下一节中，我们将看到一种有趣而重要的现象，叫做引力波，这是爱因斯坦的引力理论所预言的。

图2 -根据爱因斯坦的重力。

**(一)**当你把一个弹珠放在一个平坦的蹦床上时，它会保持在原地。这代表了没有大质量物体存在时的空间状况。**(B)**当你把一个沉重的保龄球放在蹦床中间时，蹦床就会变得弯曲。如果你现在把弹珠放在蹦床上，它就会向中心移动。这代表了爱因斯坦模型中的引力，一个大质量物体(如恒星)弯曲空间和时间，因此吸引另一个物体(如苹果或你自己)向它靠近。

什么是引力波?

爱因斯坦广义相对论的预言之一是引力应该有波引力波［3.,4］．思考引力波的一个简单方法是想象你自己在一个静止的池塘边，然后你往池塘里扔一块石头。石头溅起一声，掉到池塘底。虽然岩石现在躺在池塘底部，但你仍然可以看到它对水面的影响，水面上的波浪从中心向外移动(图3一)．这也是可视化引力波发生情况的方法。产生引力波的不是石头掉进池塘，而是大质量物体在空间中的运动或碰撞(图3 b)．

图3 -引力波。

**(一)**当你把一块石头扔进安静的池塘时，你可以看到水面上的涟漪，即使石头已经站在池塘底部不动了。根据爱因斯坦的广义相对论，这类似于大质量物体碰撞时引力波的形成方式。**(B)**引力波是两个大质量物体相互碰撞时产生的。即使在碰撞发生后，引力波仍在太空中传播。

引力波探测的挑战与成功

在爱因斯坦的理论预测了引力波的存在之后，实验物理学家开始尝试探测它们。我自己花了20多年的时间来研究探测引力波的方法，而且我还在这样做。事实证明，说到引力波，我们既有大不幸，也有大幸运。不幸的是，我们目前还不能在实验室里制造引力波，因为它们太弱了，我们无法用现有的技术探测到。这是一种不幸，因为好的实验能让我们了解所有发生的事情，而这在实验室里更容易完成。

另一方面，我们有幸拥有巨大的财富——大自然本身产生的引力波比我们在实验室里产生的引力波强得多。这意味着一些产生引力波的天文事件——我将在下面提到其中的两个——有可能被我们目前最先进的探测器探测到。虽然这些事件对我们来说一定是宇宙中最猛烈和最活跃的天文事件，但它们仍然经常发生，足以进行研究。宇宙中最猛烈的事件是极重物体的爆炸和碰撞。

我们能探测到的引力波的一个极好的可能来源是一种叫做超新星．当一颗大质量恒星变老并迅速向内坍缩时，就会发生超新星。坍缩造成了温度和压力的巨大增加，这可以增强核聚变，此时原子中较轻的原子核结合成较重的原子核并释放能量．这可以引发所谓的“失控核聚变”，¹根据爱因斯坦的理论，这会导致恒星爆炸，产生巨大的能量，产生强烈的引力波。

当谈到太空中的剧烈碰撞时，一些最有能量的碰撞发生在黑洞和中子星等大质量物体之间。黑洞它们是宇宙中已知的质量最大的物体，它们具有强大的引力，可以“吞噬”任何靠近它们的物体，甚至是恒星。任何东西都无法逃离黑洞，甚至光也不能——因此得名。中子星是坍缩的超巨星的残骸，密度极高，主要由中性亚原子粒子组成，称为中子。

2015年，第一个引力波被发现[5］．我和我的两位同事Rainer Weiss和Kip Thorne一起，因为这一发现获得了诺贝尔物理学奖，仅仅两年后，也就是2017年。通常，科学家至少需要20年才能因他们的工作获得诺贝尔奖，但引力波的发现具有特殊的意义，原因我将在下面解释。自从第一次观测到两个黑洞碰撞产生的引力波以来，我们后来又探测到其他产生引力波的碰撞——2017年的一次，两颗中子星之间的碰撞[6]，另一个是在2020年，在黑洞和中子星之间[7］．

测量引力波

当我们测量引力波时，我们实际上测量了引力波在空间和时间中产生的扭曲(涟漪)。当这些畸变到达我们的探测器时，它们小得令人难以置信，甚至比一个单一的尺寸还要小质子．为了测量如此小的信号，我们的探测器必须有超过质子大小千分之一的精度!可以想象，这是非常难以实现的，它需要使用一种非常特殊的技术，称为干涉测量法．我不会在这里详细描述它，但干涉测量法使用激光束之间的相互作用来发现非常小的空间收缩和膨胀²．为了进行如此敏感的测量，我们需要隔离我们的设备，这样就不会有任何东西干扰我们的测量——即使是一个微小的运动也会淹没我们正在寻找的信号。干扰的一个来源是地球本身的运动，它在绕着它的轴旋转时震动(这种震动太轻微了，人类感觉不到，但可以被敏感仪器检测到)。这意味着我们需要让测量仪器漂浮起来，这样它就不会捕捉到地球的运动。

制造测量引力波的仪器一直极具挑战性。我们使用的仪器叫做LIGO，即激光干涉仪引力波天文台。LIGO有几公里长(图4)．建造和运营花费了10亿多美元。我的大部分工作仍然涉及开发技术，使我们能够在探测引力波时获得更高的灵敏度，而不会有不必要的运动破坏我们的测量。很多人问我，在同一个问题上工作20多年是否令人沮丧。我的回答是绝对不行!我在解决问题的过程中获得了很多乐趣，能做一些以前没有人做过的事情是一种莫大的荣幸。

图4 - LIGO引力波探测器(美国路易斯安那州利文斯顿)。

2015年，两个引力波探测器首次探测到引力波，其中一个的鸟瞰图。每个LIGO探测器由两个臂组成，每个臂长4公里(2.5英里)，由1.2米宽的钢制真空管组成，排成“L”形，并被一个3米宽、3.7米高的混凝土防护罩覆盖，以保护这些管免受环境的影响。LIGO可以探测到来自任何方向的引力波，甚至来自下方(图片来源:加州理工学院/麻省理工学院/LIGO实验室)。

引力波:宇宙的新窗口

那么，引力波在试图理解宇宙时的重要性是什么呢?首先，引力波帮助我们验证爱因斯坦的广义相对论确实是正确的。即使爱因斯坦的理论似乎有效且非常准确，它不是唯一预测引力波的理论。为了证实爱因斯坦的理论是正确的，并能解释引力是什么以及它是如何起作用的，我们需要测量我们探测到的引力波的细节。

第二，引力波可以帮助我们了解宇宙的新事物。你可以把它看作是天文学的一个新时代，就像著名天文学家伽利略在400年前开创的时代一样，当时他制造了望远镜，用它观察天空。我们可以使用引力波以一种与以前完全不同的方式观察宇宙——使用“引力望远镜”。研究引力波可以帮助我们更好地理解灾难性(非常强大的)天文事件是如何发生的，比如黑洞和中子星之间的碰撞。这些信息可以提供关于宇宙形成早期阶段发生的事件的见解，也可以帮助我们找到关于我们自己星球的有趣问题的答案，比如黄金和铂等重元素是如何到达地球的^3.．

然而，我们对引力波的研究还不是很成熟，所以我们通常会把测量重力得到的信息与我们已经从望远镜中获得的数据结合起来。这使我们能够建立一个宇宙事件的图景，远远超出了我们在不使用引力波的情况下所能理解的范围。在未来，随着我们探测引力波的能力越来越强，我们希望通过使用引力波来观测宇宙现象只有引力波。这是宇宙学中非常激动人心的时刻，因为我们探测引力波的能力为宇宙学事件打开了一扇新的窗口，这将帮助我们更好地了解宇宙。

给年轻人的建议

我在生活中学到的一课是，关注你的梦想并努力实现它们是很重要的。你对未来的梦想告诉你你在生活中想要什么——是成为一名物理学家还是一名艺术家，或者只是做一些令人愉快的事情，比如旅行或追求你喜欢的爱好。你不必在你的梦想召唤你去做的每件事上都取得成功，但你必须实现你的梦想是告诉你该走哪条路。

我学到的另一个重要教训是，我生命中所做的一切都被一个词驱动:好奇心。年轻人天生好奇，你应该珍惜你的好奇心，不要让任何东西蒙蔽你的好奇心——你的老师、父母或任何人都不行。所以，我的建议是追求你的好奇心，享受乐趣，追随你的梦想，忽略一切可能限制你热情的事情。

对于那些对科学感兴趣的人来说，科学可以很有趣。生活中没有什么比做点好事、玩得开心、谋生更好的了。所以，对我来说，科学是一个非常好的职业。但你必须记住，失败是科学的一部分，并接受不是你所做的每件事都能成功，失败可能是件好事。当你站在科学的前沿，做一些以前从未有人做过的事情时，有时会令人沮丧。每天，你都会处在这样一种境地:你不知道自己是否会取得进展，甚至可能会有新的发现，或者你是否会做一些根本行不通的事情。对于像我这样的人来说，这种未知有助于科学研究的乐趣!

术语表

重力：↑使物体相互移动的力。

引力波：↑由大质量物体运动引起的空间和时间上的扰动，以光速以波的形式传播。

超新星：↑当一颗大质量恒星变老时，它会耗尽燃料，冷却下来，向内坍缩。这会产生巨大的能量，引发核聚变，导致大爆炸。

核聚变：↑核聚变:原子核聚变产生更重原子核的反应，向周围环境释放大量能量太阳的光和热是核聚变的结果。

黑洞：↑宇宙中已知的质量最大的物体，引力如此之强，以至于任何东西，包括光，都无法逃脱。

中子星：↑超巨星在耗尽燃料后坍缩的残骸。它们通常只有10公里宽，密度非常大。

质子：↑正电荷:存在于所有原子的原子核中的带正电荷的粒子质子的宽度还不到人类头发的十亿分之一。

干涉测量法：↑一种使用激光束来探测非常小的现象的测量技术，比如我们这里的引力波。

利益冲突

作者声明，这项研究是在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。

致谢

我要感谢诺亚戈夫作为本文的基础进行的访谈，以及共同撰写论文。

脚注

1.↑想了解更多关于逃跑的信息，请看热失控．

2.↑要了解更多关于干涉测量法及其如何用于探测引力波的知识，请参阅:儿童干涉仪知识或用简笔图解释引力波。想要更深入地探索引力波，请看这个入门书．有关广义相对论和引力波的更高级书籍，请参见这本书或这一个．

3.↑我们知道，较轻的元素可以通过恒星的核聚变形成较重的元素。但是，当我们研究恒星的生命周期时，我们看到以这种方式产生的最重的元素是铁(原子序数26)。恒星燃烧耗尽所有的铁之后，就会坍缩，不再产生更重的元素。因此，应该有另一种机制来创造较重的元素。目前，最广泛的假设是，更重的元素是在中子星碰撞中产生的，可以用引力波探测到(更多信息，请参阅这里)麻省理工学院新闻)．我们希望，在接下来的几年里，LIGO和Virgo探测器将收集到足够的数据，以更高的确定性验证这一假设。