关于发现中子星引力波，我们该关注什么？

　　欢迎关注“创事记”的微信订阅号：sinachuangshiji

　　文/脑极体

　　大家好，给大家介绍一下，这是引力波领域一年多取得的微小成绩：

　　5次捕获引力波信号、1次获得诺贝尔奖、牵动数十个国家开展相关计划、调集1000多个机构投入研究，以及永远不可逆地改写了人类历史。

　　去年2月公布LIGO成功捕捉引力波的时候，其实就已经预定了诺贝尔物理奖。问题只是去年还是今年颁奖而已。连以慎重著称的诺尔贝，都必须最快速度给引力波颁奖，也从侧面证明了这件事的意义。

　　就在刚刚过去的10月16号，引力波探索又一次搞了个大新闻。在LIGO的牵头下，这次全世界70多架天文望远镜，从各个角度观察到了两颗中子星合并发出的引力波。其中就包括中国的南极巡天望远镜和中国第一颗空间X射线天文卫星慧眼望远镜。

　　大多数人更愿意为“第一次”鼓掌。这次全球天文界共同搞出的“大新闻”虽然是人类第5次捕捉引力波，但价值依旧非凡。这里我们用几个问答来总结一下它的意义，希望能够帮助大家在不必弄懂复杂物理与天文学理论的情况下，尽可能了解发现引力波之路的真实脚步。

　　毕竟在前往广袤未知的航程中，每一点萤火都难能可贵。

　　什么是引力波？

　　去年到现在，介绍引力波的文章已经不胜枚举，但为了文章的整体性，咱们还是先来了解一下大名鼎鼎的引力波。

　　根据爱因斯坦的广义相对论，物质会在时空中产生影响。最出名的那个例子就是，你家楼上的时间会过的比你家的时间快。这是因为地球本身的质量影响了时空曲率，越靠近地球受到它的影响就越大，时间就会流失的慢一点——当然，这个一点是绝对没可能被人类感觉到的。

　　地球对时空施加的这种影响，就是地球的引力波——也就是所谓时空的涟漪。

（广义相对论认为：时空就像一张薄膜，而物质改变了时空的形状）

　　在100年前，这只是爱因斯坦的一个假设。因为引力波实在太小了，根本无从验证它是否真的存在。我记得很清楚，小时候读介绍广义相对论的科普读物，都是言之凿凿地认为引力波只是设想。虽然有很多实验尝试验证它，但距离真正的实验结果出现遥遥无期。

　　黄粱一梦，一转眼不可能变为了现实。

　　最终人类验证引力波的方案，是借助宇宙中巨型天体的碰撞。毕竟地球太小了，所发出的引力波微不足道。而且就算够大，也不能把地球炸了做次实验吧。所以质量比太阳大几十倍的黑洞碰撞，以及这次发现的中子星合并，成为捕捉引力波的最佳途径。

　　即使如此，这些天体剧变产生的引力波也只会经历上万光年之后，在地球停留短短的一秒。那么问题来了，人类怎么捕捉它呢？

　　LIGO如何捕捉引力波？

　　今年获得诺贝尔物理学奖的三位科学家，贡献在于从不同方面帮助建成了捕捉引力波的装置LIGO。

　　相比于“观测”，确实“捕捉”一词能够更准确的形容LIGO的工作。

　　所谓LIGO，全称是“激光干涉引力波天文台”，这个名字也阐明了这个跨时代发明的工作原理。简单来说，LIGO是应用光学中的干涉现象，通过发射出多次反射的大功率激光，一旦环境变化，激光的相位会相应变化，就产生了记录波频的干涉条纹。

　　每台LIGO，都是由两条4公里长的手臂组成的L型仪器。引力波经过时，时空产生微小的晃动，两条臂的结构就会产生变化，从而反映在激光束上。改进后的LIGO，可以测量万分之一个质子直径尺度上的变化，堪称人类精度最高的仪器之一。并且其系统还在持续升级，预计会在2021年达到设计中的巅峰测量精度。

（荒野上壮观的LIGO）

　　美国目前共有两台LIGO投入工作，分别位于美国的西北和东南方，相距3000公里。假如两台设备共同记录下了同样的波频，才能确信是引力波无误。人类历史上发生过好几次测量到虚假引力波的乌龙事件，而LIGO能够一举说服学术界，也是因为两台超大型设备共同验证的结果。

（人类首次捕捉到的引力波信号）

　　LIGO的成功绝非一日之功。在70年代，麻省理工和加州理工学院等几个科研机构就开始纷纷开始了探索引力波项目。但各自为战造成了资源不集中，无法建成大型精密仪器。1984年，两所院校决定将资源和人才结合到一起，共同打造LIGO项目。1990年，美国国家基金会批准了LIGO计划，此后经历数次计划调整，直到1999年LIGO才得以建成。

　　2000年到2010年，LIGO收集了10年数据，结果却依旧没有证明引力波的存在。随后又开始了5年的大规模检修和升级。终于，升级版的LIGO一战成功，在爱因斯坦提出广义相对论100年整的时候证明了这条时空深层的法则。

　　从立项到成功，LIGO经历了30年，只为了证明一个很可能不存在的假说。科学的代价和勇敢，在两台无比精密复杂的仪器中得到了最好展示。

　　此次发现中子星合并引力波意义何在？

　　由于引力波是一种不生不灭的能量震动，所以宇宙各个方向的天体剧变送来的引力波应该是源源不断的，一旦人类掌握了捕获这条信息的知识，后续用其指导天文学和实验物理学的多元探索也就成为了可能。

　　而这也是这次中子星合并引力波被发现带来的最大启示。

　　此前LIGO捕捉的引力波，都是黑洞合并过程中产生。但是黑洞合并并不会抛出元素以及产生电磁现象。这就让人类无法判断引力波与元素生成、电磁效应之间的关系。

编辑：脑极体