有传言说，LIGO 已经观测到引力波了
有传言说，LIGO 已经观测到引力波了
最近几天，网络上的一个传言让全世界物理学家议论纷纷。图为 2014 年，研究者在 LIGO 位于路易斯安那州利文斯顿的探测器工作。图片来源：Michael Fyffe/LIGO引力波是爱因斯坦广义相对论最重要的预言之一，而于 2001 年首次投入运行，2015 年升级重启的激光干涉引力波天文台（LIGO）就是专门为探测引力波而建设的。从去年 9 月开始，关于它已经观测到引力波的传言不断，而就在前几天，又有物理学家在网上流出小道消息，终于引爆了大量媒体的报道。Nature 网站为大家梳理了这些传闻中的事实和谣言，并预测何时会有官方宣布发现引力波。传言讲了些什么？ 传言称，位于美国华盛顿和路易斯安那两州的 LIGO 探测器已经探测到了引力波信号。根据爱因斯坦的广义相对论，超大规模的天文事件，如两个黑洞或中子星的合并，会在时空中产生波纹，即引力波。传言最初出现在九月，美国亚利桑那州立大学的宇宙学家劳伦斯 & 克劳斯（Lawrence Krauss）发了一条推特称 LIGO 已经观测到引力波，而最近出现的最具重量级的传言来自理论物理学家卢博什 & 莫特尔（Lubo& Motl）写的一篇博客，他称花费了 2 亿美元升级的新 LIGO 自去年 9 月开始收集数据以后，其两个探测器都已发现了两个正在合并的黑洞产生的引力波。普林斯顿大学研究广义相对论模拟的专家弗兰斯 & 比勒陀利乌斯（Frans Pretorius）说：" 如果消息是真的，这将是我们人类以最直接的方式观测黑洞。"那直接参与 LIGO 实验的物理学家怎么说？ 他们口风很紧。" 我们还在收集数据，对早期数据的分析也没有完成。" 路易斯安那州立大学的物理学家，同时也是 LIGO 发言人的加布里埃拉 & 冈萨雷斯（Gabriela Gonz&lez）说。冈萨雷斯说，第一期数据采集于 1 月 12 日结束，但对这 4 个月探测数据的分析结果最早也要到二月才能公布。这期实验结束后，LIGO 马上又会关闭，进入又一次为期 9 个月的升级，以进一步提高灵敏度。再次升级重启之后，它将与欧洲的同类探测器 " 先进 Virgo"（Advanced Virgo）联合观测。LIGO 有可能已经观测到引力波了吗？ 这是有可能的。LIGO 的干涉仪有 4 千米长的真空管，在真空管中安放了反射镜来反射激光。引力波经过时，会拉伸和压缩空间，使真空管的长度发生微乎其微的改变，这种变化可根据激光干涉条纹探测出来。广义相对论预测两个距离很近的大质量天体在互相绕转时距离会越来越近，一开始速度很慢，然后越来越快，直到最后合并在一起，同时会扭曲周围的时空，并把扰动往四面八方传递。以 LIGO 探测器目前的灵敏度，只能观测到 10 赫兹以上的引力波，所以如果他们观测到了引力波信号，这信号必定来自于黑洞互相绕转频率超过每秒 10 次的时候，即合并前的最后阶段。模拟显示，如果把这种情况产生的引力波以声波形式播放出来，听起来会像鸟鸣声。" 如果广义相对论是正确的，那么信号就应该与这一模一样。" 比勒陀利乌斯说。他在 2005 年首次完成了黑洞合并的全计算机模拟，详细预测了该现象产生的引力波的大小和波形。所谓 " 信号 "，会不会只是来源于一个误差？ 这也是可能的。LIGO 探测器花了很大力气来减少无关的振动产生的误差，但他们的团队仍需谨慎分析，以防所谓的 " 信号 " 只是场空欢喜。哪怕是附近路过的一辆卡车，也可能会成为误差来源。不仅如此，实验初期所观测到的 " 信号 "，说不定还有可能是来自高层的 " 阴谋 "。LIGO 团队中的三名成员有秘密操纵反射镜的权限，他们可以人为制造出 " 天体现象 " 的特征，直到其余成员准备宣布 " 新发现 " 之前才会公布这到底是不是他们制造的假信号，这一过程称为 " 盲注入 "（blind injection），可以检验装置是否正常有效地运行。LIGO 在此前
年的运行阶段就经历过两次这样的演习。但去年 9 月份发推的物理学家克劳斯说，他听到的消息称，LIGO 在正式运行前的试运行阶段就看到了信号，那时候正式的数据收集尚未开始，所以也没有盲注入过程。（但 Nature 向克劳斯询问时，他表示自己也不知道更多的详情了 . ) 但 LIGO 的研究者并不会马上开始分析这么早期的数据。LIGO 数据分析组组长，佐治亚理工学院的物理学家劳拉 & 卡多纳蒂（Laura Cadonati）说，他们需要先对数据产生足够的了解，知道各种类型的虚假信号出现的频率之后，才能开始着手分析如此早期的信号。是否有这样一段时期，在不会有盲注入的情况下，两个探测器同时出于工作状态？ LIGO 合作组拒绝回答。LIGO 的物理学家们对这些流言怎么看？ 冈萨雷斯对此有些恼火。她说：" 我担心这会给广大民众和媒体带来过高的期望。"但卡多纳蒂说，她觉得这些流言蜚语反倒能成为一针强心剂。" 消息走漏发生得如此之早，说明这就是我们必须学会适应的情况。它意味着我们正在进行的研究吸引了很多人的关注。"如果真的探测到了引力波，这将是里程碑式的事件。LIGO 合作组的一员，西澳大利亚大学的物理学家戴维 & 布莱尔（David Blair）说：" 这意味着什么呢？这就好比我们人类之前都是聋的，现在却忽然能够听到来自宇宙的声音。"原网页已经由 ZAKER 转码以便在移动设备上查看
大家都在看五花八门的引力波探测器中，为什么是LIGO笑到了最后？ | 科学人 | 果壳网 科技有意思
五花八门的引力波探测器中，为什么是LIGO笑到了最后？
引力波 引力波探测器 LIGO
从2015年9月至今，“引力波之发现”的消息像一只调皮的幽灵，以形形色色的版本穿梭于天文和物理学界，它时隐时现，像剂量不断增强的兴奋剂，一次次激起人们的窥探欲。在北京时间2月11日晚11点30分，美国国家科学基金会就探测引力波的研究进展进行报告。LIGO科学合作组织面向全社会宣布，LIGO首次直接探测到引力波和首次观测到双黑洞碰撞与并合，科学家直接探测到了引力波！
五花八门的引力波探测器中，为什么是LIGO笑到了最后？
引力波探测器的分类
爱因斯坦同志1916年就提出引力波这茬了，到六十年代左右，就有人开始琢磨怎么探测引力波。最早的引力波探测器长这样：
一个大铝筒。基本原理是，如果引力波的频率跟铝筒的共振频率一致，会引起它的显著收缩-拉伸。旁边的人叫Joe Weber，公认的引力波探索先驱。他曾在1969年宣布，用这台机器测到了引力波。
但是同行重复他的实验，没有一个能重现这一结果的。所以大家认为他搞错了。
这次测到的引力波的振幅是10^-21。很明显，用越大的数字去乘这个10^-21，会得到一个越大的结果。这个铝筒这么小，显然得不到什么结果。要知道LIGO的臂长就有4 km，内部更是让光路反射了400次，激光光路长度达到1600km，这么大的数去乘那个10^-21，才勉强得到一个大约跟质子半径一个量级的变化。所以这种几十年前的棒状引力波探测器，显然不可能有什么结果。
后来人们发展出了激光干涉仪为原理的探测器。代表就是美国的LIGO和欧洲的VIRGO。
其基本原理是，把引力波扫过导致的长度变化，转变为激光干涉结果的光强变化。“干涉”几乎是精密测量的“作弊器”，不用什么别的工具，我们能通过手机贴膜贴合不均匀处的干涉条纹，直观看出贴合间距的微小变化。LIGO也能通过测量两束相干红外激光的干涉光强，判断激光臂长的极微弱变化。
同样的原理，放到天上，能得到更长的臂长：长达数万公里。这样引力波导致的变化将更加明显。所以美欧提出了LISA计划，中国也提出了天琴计划，都是打算发射空间卫星，组成干涉仪网络，进行长距离的干涉测量。
更长的臂长——就只能靠天上本来就有的东西了：脉冲星、微波背景辐射。脉冲星的周期会受到经过的引力波的扰动，而微波背景辐射里，据信留有宇宙大爆炸时原初背景辐射的印迹。它们也可以用于示踪引力波。
波速不变的话，波长与频率成反比。臂长越长，对越长的波长更敏感，也就是对更低的频率更敏感。所以LIGO、LISA、脉冲星、微波背景辐射，它们分别示踪一系列不同频率的引力波信号，彼此互为补充，不能相互替代。
其中，LIGO这种几公里基线的激光干涉仪，对频率~100的信号最敏感——这正是双黑洞、双中子星等双致密天体并合前的一瞬发出的引力波的频率。我们前面说过，这种双星并合事件的引力波最有独特特征，最容易识别，因此不难理解，是LIGO抢先探测到了引力波。
而LISA、天琴就要低频一些了，它们对频率为~10^-2到~10^-4的信号最敏感。因此它们更适合寻找银河系中相对慢速绕转的双致密星，以及因身材庞大而转不快的超大质量双黑洞。
脉冲星适合探测频率~10^-8的引力波，宇宙微波背景辐射更是只能探测~10^-16次方这样极端低频的引力波。以上所有这些，就像是工作在不同的电磁波段一样，共同描绘出完整的引力波的多彩世界。
LIGO的黑科技
就算LIGO的臂长对应的引力波频率跟双黑洞并合刚好一致，就算干涉原理吊炸天，凭什么LIGO可以测得出千分之一个质子半径的细微变化？
大陆板块在移动。大海在拍击着全球的洋底。大气呼号着。整个北美大陆的汽车轰鸣着。蚂蚁军团就在隔壁掀起了一场灭国之战。想要把所有这些噪声隔离开，专心倾听来自十几亿光年外、振幅为千分之一质子半径的波动？
太平洋上台风肆虐，我在上海的岸边扔了一粒石子，请你在加州海滩上测出它的涟漪。
1.隔离震动
发布会上，Weiss演示了LIGO隔绝震动的基本原理：当你高频摇动一个摆的绳端，摆并不会跟你一起摇动，反而会维持稳定。
当你把这招用到极致，就是这样：
左图是升级改造前的LIGO：反射镜仅有25厘米直径，用两根钢丝吊起。而右图中，升级改造后的Advanced-LIGO，使用了远为复杂的机构，和更大、更重的反射镜，来最小化反射镜本身的晃动。
而这个东西，是吊在这里面的：
震动隔离平台。主动减震。
我想你已经知道了什么是干涉——如果不知道的话，看下图：
两束光，峰谷对应，得到的光峰谷分别加强，总光强更强；峰谷错位相消，则最后什么光都没有剩下。
这样，光强极为灵敏的显示了两束光的峰谷之间的细微差距。
3.功率倍增器
激光越强，干涉产生的图样越清晰易测量。为了保证效果，LIGO需要750千瓦的激光功率——但LIGO激光功率其实只有200瓦——为将此功率倍增，LIGO让入射的激光首先在很多镜面之间来回反射，并将反射后强度叠加后的光原路输回原光路，形成所谓“能量循环”，满足了LIGO的功率要求。
4.镜子纯二氧化硅打造，每300万个光子入射，只有1个会被吸收。一个字，亮。
LIGO的激光臂全部在真空腔内，其真空腔体积在地球上仅次于LHC（欧洲的大型强子对撞机），气压仅为万亿分之一个大气压。6、反射
有如上所述的强激光、超洁净的镜片和真空环境，LIGO才能无所畏惧的让激光在4 km臂中反射了400次再进行干涉——这极大的增加了LIGO的有效臂长，让它能以1600 km的臂长，探测更低频的信号，并且得到更显著的测量结果。
发布会上，美国人表示“LIGO是世界上最精密的测量仪器”，诚哉。（编辑：Sol_阳阳）
文章图片均由作者本人提供。文章首发自作者本人微信公众号：天文八卦学。
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不能说是“笑到了最后”吧？？这明明才刚刚开始笑啊。。。以后是需要在全球各地的引力波探测器中，进行同步探测，以便互相印证结果，顺便掌握更多的引力波相关数据啊。。。俺还等着没准能探听到外星人的星际通讯呢，虽然目前咱们还只能听，不会说。。。但有朝一日，咱们能主动发出引力波讯号的时候，就可以突然插话：“嘿，哥们，抱歉，你们说的话俺都听到了哦。。。”
刚刚看新闻讲解引力波和物质作用力微弱，举了番茄酱的例子，告诉我这个例子是从果壳看来的来自
引用 的话：请天文博士给释疑，谢谢我研究万有引力怎么多年，不了解引力波也是不现实的，但有这个问题我不明白。我们知道，目前引力波探测器的其基本原理是，把引力波扫过探测仪导致的长度变化，转变为激光干涉结果的光强变化，...大家都不点明，我就直说了，这货是个民科
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全部评论(68)
先杀再看。
刚刚看新闻讲解引力波和物质作用力微弱，举了番茄酱的例子，告诉我这个例子是从果壳看来的来自
对于板块间相对距离引起的误差变化好像没说到怎么解决，只说到了振动!
这个跟探索引力子的关系大吗
请解释下？ 来自
年度大戏准备开拍。
引用 的话：这个跟探索引力子的关系大吗 请解释下？貌似不大，按照引力波产生的理论，引力的产生是不依赖于一种叫做“引力子”的东西传递的，而是质量导致了时空扭曲，时空扭曲导致其他物体的运动
读到一半，勘个误：“光强极为灵敏的显示了”是否应该改为“光强极为灵敏【地】显示了”
又来一个，“LIGO才能无所畏惧的（地？）让激光在”
另外功率放大的一段不明白。我们知道输入200W的功率肯定是不能直接真正地产生750000W功率的激光的，反射400次，如果是增强到了400倍的话，也只是200*400=80000W啊。能想到的方法有，比如积聚一小时的激光，在1S内发出，可以在1S内达到3600倍的功率，但是时间上只有部分时间段可以输出功率。感觉文章这里说得有点模糊。
不能说是“笑到了最后”吧？？这明明才刚刚开始笑啊。。。以后是需要在全球各地的引力波探测器中，进行同步探测，以便互相印证结果，顺便掌握更多的引力波相关数据啊。。。俺还等着没准能探听到外星人的星际通讯呢，虽然目前咱们还只能听，不会说。。。但有朝一日，咱们能主动发出引力波讯号的时候，就可以突然插话：“嘿，哥们，抱歉，你们说的话俺都听到了哦。。。”
引用 的话：对于板块间相对距离引起的误差变化好像没说到怎么解决，只说到了振动!两块反射镜之间的面形偏差并不需要排除，因为这个偏差不是随时间变化的，看成背景就行了。
引用 的话：貌似不大，按照引力波产生的理论，引力的产生是不依赖于一种叫做“引力子”的东西传递的，而是质量导致了时空扭曲，时空扭曲导致其他物体的运动可以理解一个微观一个宏观？来自
引用 的话：另外功率放大的一段不明白。我们知道输入200W的功率肯定是不能直接真正地产生750000W功率的激光的，反射400次，如果是增强到了400倍的话，也只是200*400=80000W啊。能想到的方法有，...同相叠加，振幅x2，强度x4。不过这样算下来又偏大了……
这次探测到了引力波，你信吗？ “在将于《物理学评论通讯》杂志发表的新研究中，科学家探测到的是由黑洞合并产生的一个时间极短的引力波信号，持续不到1秒。它经过13亿年的漫长旅行，于日抵达地球，被刚改造升级的LIGO的两个探测器以7毫秒的时间差先后捕捉到。”----。那么，问题就来了，引力波扫过地球以后，又去哪里去了呢？是不是被探测仪吸收了呢？既然能够引起探测仪变形，那么一定对探测仪做了功，就是说，引力波可以做功了，那么问题就更严重了，黑洞碰撞产生了极短的引力波，如果像恒星的发光一样还可以接受，但是这个极短的引力波，是怎么走过了13亿年的路程，而没有被吸收，穿过那么多的星系，星体，星云而没有被吸收？并且是恰巧被刚被刚改造升级的LIGO的两个探测器以7毫秒的时间差先后捕捉到？这种奇怪的几率是多少呢？13亿年的路程是个什么概念？科学就要刨根问底，经得起讨论，经得起品味，经得起怀疑。经得起奇谈怪论。
引用 的话：刚刚看新闻讲解引力波和物质作用力微弱，举了番茄酱的例子，告诉我这个例子是从果壳看来的是另一篇文章。不是来的，是直接引用来自
引用 的话：这次探测到了引力波，你信吗？“在将于《物理学评论通讯》杂志发表的新研究中，科学家探测到的是由黑洞合并产生的一个时间极短的引力波信号，持续不到1秒。它经过13亿年的漫长旅行，于日抵达地...另一篇文章有解释，引力波被吸收能量是按照堆满现实世界的宇宙的番茄都吸收不了多少。所以为啥需要这么精密就是因为做功太微弱了来自
引用 的话：另一篇文章有解释，引力波被吸收能量是按照堆满现实世界的宇宙的番茄都吸收不了多少。所以为啥需要这么精密就是因为做功太微弱了额。我先上个链接。
动物的一个种类站起来了，而且会使用工具，地球就热闹起来，将来地外也会热闹起来。
引用 的话：不能说是“笑到了最后”吧？？这明明才刚刚开始笑啊。。。以后是需要在全球各地的引力波探测器中，进行同步探测，以便互相印证结果，顺便掌握更多的引力波相关数据啊。。。俺还等着没准能探听到外星人的星际通讯呢，...外星人的第一反应不会是朝太阳系扔一个二相箔吧。。。。。。。
所以他们要观测的这两个相撞的黑洞其实是事先找好的，就是要等它们这一波波动过来是么？而且这一次信号检测到之后，这两个黑洞的信号就再也检测不到咯？
请天文博士给释疑，谢谢我研究万有引力怎么多年，不了解引力波也是不现实的，但有这个问题我不明白。我们知道，目前引力波探测器的其基本原理是，把引力波扫过探测仪导致的长度变化，转变为激光干涉结果的光强变化，目前已经知道的探测臂4的长度有四公里，其质量是多么的巨大，你应该更清楚，问题来了，要引起这个巨大长臂质量的变形，那么需要多么巨大的能量，这个能量是多少？这和物体基本上不消耗引力波的能量不矛盾吗？又一瞬而过的微弱的引力波，究竟能够挟带多少能量呢？多大的能量就足以引起探测仪变形，而走了13亿年的引力波，又被消耗了几次能量而到达了我们的地球呢？并且不被无数的障碍物耗尽能量？请你解释这些问题。
两个引力波文章的作者好像都挺帅的
配合旁边的一篇标题看。。我就愣b了。。。。《五花八门的灵长类，为什么猴腮雷笑到了最后》
科学家负责脑洞大开，工程师负责把大开的脑洞糊上。。。。可怜的工程师。。。。
说得好，明白了不止一星半点。
日，美国人曾经将地震波当作引力波宣告中国地震台网正式测定，日18时10分在秦皇岛市昌黎县（北纬39.7度，东经118.8度）发生4.2级地震，震源深度14千米。之后，在18时23分，昌黎县发生3.3级地震，震源深度13千米。 美国人说观测到了一些数据并进行了修改，宣告北京时间日17点50分45秒，激光干涉仪引力波天文台（以下简称LIGO）分别位于美国路易斯安那州的利文斯顿（Livingston）和华盛顿州的汉福德（Hanford ）的两个的探测器，观测到了一次置信度高达5.1倍标准差的引力波事件：GW150914。并写成了重大科学论文，拟定表于物理评论快报（Phys. Rev. Lett., 116, 061102）。
引用 的话：这次探测到了引力波，你信吗？ “在将于《物理学评论通讯》杂志...自己的理解：引力波不是时空的涟漪吗？所以引力波并不是直接对物体做功，而是先后的改变探测器两个臂所在的空间，导致两个臂的长度发生了改变，里面来回反射的激光最后干涉的结果发生了改变。据另一个科普文说引力波要穿过400万光年厚的番茄酱才会消耗1%的能量。
引用 的话：自己的理解：引力波不是时空的涟漪吗？所以引力波并不是直接对物...400万亿光年
引用 的话：日，美国人曾经将地震波当作引力波宣告中国地震台网正式测定，日18时10分在秦皇岛市昌黎县（北纬39.7度，东经118.8度）发生4.2级地震，震源深度14千米。之后...然而每年全世界发生地震次数在500万次左右,差不多每分钟10次地震,如果这能形成足够有欺骗性的干扰,那数十年前人类就以为探测到引力波了,而且每天还能记录到上万次.所以我建议您把地震修改为LIGO附近研究人员的喷嚏,哈欠或者自慰引起的时空扰动,考虑到这个事件的发生几率可能更高,没准可以精确对应到秒,至少比地震之说看起来靠谱一点.
引用文章内容：激光越强，干涉产生的图样越清晰易测量。为了保证效果，LIGO需要750千瓦的激光功率——但LIGO激光功率其实只有200瓦——为将此功率倍增，LIGO让入射的激光首先在很多镜面之间来回反射，并将反射后...永动机吗？求详细原理。
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(C)2015果壳网&京ICP备号-2&京公网安备专访LIGO核心成员：我们是如何探测到引力波的？
13:50:06 | 人气： 次 &nbsp&nbsp&nbsp
导读：本文原载于由饶毅、鲁白、谢宇主编的《知识分子》（微信公号：The-Intellectual），澎湃新闻（）经授权后转发。【编者按】“过去几天有点太疯狂了！”2月14日，英国格拉斯哥
本文原载于由饶毅、鲁白、谢宇主编的《知识分子》（微信公号：The-Intellectual），澎湃新闻（）经授权后转发。【编者按】“过去几天有点太疯狂了！”2月14日，英国格拉斯哥大学天文与物理学院教授、LIGO科学合作组织成员希拉·罗恩（Sheila Rowan）说。“我们的发现宣布后，我完全被格拉斯哥面对面的媒体活动淹没了。” 在LIGO成功探测引力波的消息得到公布的24小时内，格拉斯哥大学天文与物理学院院长马丁·亨得利（Martin Hendry）在给《知识分子》回复的邮件中写道。与格拉斯哥大学的科学家一样，加州理工学院教授、LIGO科学合作组织成员陈雁北也在过去几天里不眠不休，撰写解读性文章，接受媒体采访，为公众解读引力波这一激动人心的科学发现。何为引力波？探测引力波有多困难？从广义相对论预言到首次成功探测，这条路为何走了百年？探测到引力波对物理学有什么样的重大意义？华人科学家在这一项目中做出了什么样的贡献？为此，《知识分子》为此采访了LIGO科学合作组织的多位成员。其中，三位科学家给了详细的回复。引力波探测“创造了一个巨大的机会”《知识分子》：能否用一句话说明，什么是引力波？布鲁斯·艾伦：引力波是时空曲率的涟漪，从源处以光速传播。马丁·亨得利：引力波是时空中的涟漪，是宇宙中某些最激烈的事件产生的——例如恒星爆炸和黑洞碰撞（后者是我们这次探测到的类型）。爱因斯坦预言，宇宙中任何加速的物体都可以自然产生引力波，但是只有非常致密的星体以接近光的速度加速运动时，才能够产生在地球上探测得到的足够强大的引力波。《知识分子》：&探测引力波是一个什么样的问题？在物理学和宇宙学上有什么样的重大意义？陈雁北：引力波在广义相对论中是一个推论，并且是很重要的一个。引力波和电磁波，在数学上有一定的类似之处。打一个比方，法拉第、麦克斯韦建立的电磁场理论，推论出电和磁之间的联系。在最初，这个联系体现在“电磁感应”，比如运动的电荷可以产生磁场，而变化的磁场也可以产生感生电动势。从这些，可以从理论上建立一个麦克斯韦方程组。但是，这个方程组又推论出一个新的现象，就是电磁波。在电磁波里面，电场和磁场之间会有一个完全的转换，电磁感应会把能量传播到无穷远处。在赫兹发现了电磁波，并且测定了它的传播速度之后，电磁场理论才真正完整地被验证了。所以相比之下，只有探测到了引力波，研究了它的性质之后，才能说对广义相对论有了一个完整的认识。马丁·亨得利：这是一个有趣的问题。我们探测的成果之一便是完成了对爱因斯坦广义相对论关键预测的最后验证。但我觉得这并非是解决了一个问题。几乎所有的天文学家和物理学家都完全相信引力波是存在的，只是此前我们不能直接探测到它们。事实上本来可能有一个大得多的问题，那就是如果我们能够确认两个黑洞的合并没有发出引力波，因为这可以表明爱因斯坦的理论存在严重的问题——那会是令人震惊的，要知道广义相对论在不是那么极端的物理条件下取得了巨大的成功。当然，类似的评论可以应用在黑洞本身的存在性上。人们从电磁数据中得到了关于黑洞存在的很多间接证据，但对它们的直接探测——通过它们发出的引力波——是一个惊人的发现。不过同样不是真正解决了一个天文学和物理学中的问题。因此，我们不把这一发现当作是解决了一个问题，而是认为它创造了一个巨大的机会。史上最敏感的科学仪器《知识分子》：探测引力波有多难？什么样的方法是可靠的办法？布鲁斯·艾伦:&困难在于，引力波对物体的效应非常非常微弱。我们目前拥有的唯一方法就是通过LIGO（The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ，激光干涉引力波天文台）干涉仪和其他类似的装置进行探测。陈雁北：在人类能够感知的尺度下，引力是一个很弱的相互作用。只有靠天文中大质量的星体的运动，才能产生相对比较强一些的引力波。但是就算是这样，引力波对地面上的物质产生的影响也是微乎其微的。这次探测到的引力波，振幅为10-21 ，这就说明，在LIGO中距离4公里的镜子，其相对距离只是变化了10-18 米左右，是原子核尺度的一千分之一。这么微弱的距离变化，是人类在之前根本没法达到的，是精密测量科学的最前沿。马丁·亨得利：（上面提到）爱因斯坦曾预言，宇宙中任何加速的物体都可以自然产生引力波，但是只有非常致密的星体以接近光的速度加速运动时，才能够产生在地球上探测得到的足够强大的引力波。正如池塘里的涟漪，随着在宇宙中的传播，引力波会变得越来越弱。当引力波通过时，我们所在的局部空间会被拉伸和挤压。我们可以利用一种特殊的仪器——干涉仪——来探测这种拉伸和挤压。我们利用的是位于路易斯安娜州的列文斯顿和华盛顿州的汉福德的两台LIGO干涉仪。每台LIGO干涉仪有两个互相垂直的长达4千米的“干涉臂”。干涉臂由混凝土管保护，激光束可以在其两端的反射镜之间来回反射。引力波的通过会使得双臂分别延长和收缩，一个变长另一个变短，反之亦然。由于干涉臂的长度变化，激光束从一端到另一端的时间会有所变化。这意味着这两个光束不再“同步”，从而产生“干涉”图案，因此该装置得名干涉仪。双臂长度的变化实际上很小，大约是人的头发直径的一万亿分之一。这是因为引力波信号从遥远的宇宙传来时已经变得小的不得了。如果你觉得探测这一过程还不算困难，那么地球上所有形式的局部干扰——从地面震动到电网涨落，以及能够伪造或完全吞没宇宙真实信号的仪器“噪声”——都会使它变得更糟。为达到令人震惊的灵敏度要求，在过去的几年里，LIGO探测器设计的几乎每一个方面都被升级过。我们在格拉斯哥大学领导的英国研究机构联合会发挥了关键作用，特别是在LIGO探测器核心区域发展、构造和安装灵敏的反射镜悬架，这对此次探测非常重要。该技术是以我们在早期英国/德国GEO600探测器上的工作为基础的。这使得LIGO升级为Advanced LIGO，可以说是有史以来最敏感的科学仪器，因此我们得以第一次直接看到黑暗的宇宙。《知识分子》：除了LIGO，世界上还有其他探测到引力波的装置吗？为什么LIGO首先成功了？布鲁斯·艾伦:&据我所知，目前还没有。（实验装置）设计精巧、工作人员卖力、运气好（感谢大自然，引力波源的时间地点都无比合适）。《知识分子》：LIGO何时成功收集到足够多的有效数据？收集数据持续时间有多长？分析数据用了多久的时间？布鲁斯·艾伦：目前是日到日。分析数据花了几个月的时间。一些分析甚至是在过去几周才结束的。陈雁北：LIGO早在十年前就进行了第一代的实验，并且和VIRGO探测器联合进行了数据采集，得到了3年的有效数据。在那一次采集中，由于仪器的灵敏度不如这一次，没有发现引力波事件。这一次的第二代的Advanced LIGO，在30-60Hz的低频段灵敏度比第一代有了10倍以上的提高，于是在开机不到一个星期的试运行中，就看到了这次的GW150914。由于这次的信号很强，LIGO科学家只做了简单的分析，就基本断定这个一定是引力波信号。但是，为了排除其他因素，更好的确定这个信号确切的统计特性，对信号所对应的物理过程作出判断，并且和广义相对论比对，最后到把一系列文章定稿、投稿，整个LIGO-VIRGO合作体还是花了5个月的时间。20万年一遇的真实信号《知识分子》：LIGO如何确认探测到的信号来自引力波，而不是其他的信号或噪音？陈雁北：噪声虽然是随机的，但是可以用统计的方法来处理。粗略的说，越强的噪声，出现的几率就越小。LIGO在运行中，会对噪声的出现几率做一个估算。如果碰到一个很高的信号，比可能出现的噪声大很多，那么就几乎一定是引力波造成的。而且，由于双黑洞的波形比较有特点，我们在LIGO的数据中集中搜索具有这样特点的信号，这也会提高分析的效率，因为随机的噪声具有跟双黑洞同样的特点的可能性会降低。以上统计的方法，最有效的使用范围是多种独立因素所造成的噪声，往往成为是“高斯噪声”，或者“正态分布”。 有一些偶然因素造成的“非高斯噪声“，会让统计方法的效果变差——具体说，就是需要更高的信号强度，才能判断是引力波。这些偶然噪声，往往可以追溯到探测器所处的特定环境中。比如附近有飞机、汽车经过，有电磁场的扰动，等等。这样的因素，往往可以被LIGO的一些辅助探测器所捕捉。这些辅助探测器包括：麦克风、磁场计、地震仪、等等。当这些辅助探测器捕捉到比较强的非引力信号时，我们就忽略这时候引力波探测器的数据，避免被干扰。另外一个减少偶然噪声的方法，就是要求两个距离三千公里之外的LIGO探测器都必须在一定时间之内测到相互一致的信号。马丁·亨得利：要想象我们这次一样成功地探测到引力波事件，LIGO探测器既需要惊人的敏感性，也需要将波源真实信号与仪器噪声区别开来的能力。这是我们有两台Advanced LIGO探测器的一个关键原因，因为它让我们得以将引力波从仪器或环境的影响中提取出来：只有真正的引力波信号才能同时出现在两台探测器上——虽然有几千分之一秒的时间差，这是因为光（或引力波）到达探测器基地的时间不同。理解这些背景噪声是我们分析的重要组成部分，它包括在两个基地监测大量的环境数据，仅列举其中一些：地面运动，温度变化和电网涨落。同时，许多数据通道会即时监控干涉仪的状态，例如检查各激光光束位于适当的中心。如果这些环境或仪器的检测通道中的任何一个表明出现了问题，相应的数据就会被丢弃。然而，经过详尽的研究，在该事件发生时，没有发现数据质量方面的问题。但是，这是否有可能是一种罕见的噪声涨落，只是凑巧以相同的特征发生在两个探测基地呢？为排除这种可能性，我们需要搞清楚如果这是真的，那么它会有多罕见：它碰巧发生的可能性越小，我们就越相信我们所希望的是真的，也即我们观察到的确实是一个真正的引力波事件。为了进行这一统计分析，我们在这一事件后的那个月使用了长达16天的稳定、高质量的探测器数据。我们探测到的事件确实是那段时间里在两台探测器上探测到的迄今为止最强的信号。然后，我们在两探测器得到的数据之间引入了一系列人为的时间移动，有效地创建了一个更长的数据集，由此我们可以去搜索与我们所观察到的事件一样强，或更强的信号。由于只使用了间隔大于10毫秒的事件移动（之间的探测器的光的旅行时间）我们确保这些人工数据集不包含真实的信号，而只是噪声。然后我们可以看到，在非常长的人工数据集上模仿我们探测结果的事件出现的频率。这一分析可以给我们错误警报率：我们测量到看似真实实则是噪音波动的事件的频率（即一个“错误警报”）。我们发现这是非常罕见的——事实上我们得到，像我们得到的信号这么强的偶然信号只有在大约200000年的数据中才可能发生一次！这使我们确信，信号不是噪音。引力波是否以光速传播尚待检验《知识分子》：如何通过测量得到的数据，推算出源的物理信息，包括引力波的速度和角度、两个LIGO探测器之间的时间差、黑洞在合并之前的信息等？布鲁斯·艾伦：引力波的速度为光速。我们知道引力波的角度，是因为它从一个探测器到达另一探测器的时间差为7毫秒，如果你分析引力波经过这两个探测器的波形，就会得到两个黑洞合并之前的信息，啁啾质量（编者注：chirp mass，类似这次的致密双星并合信号听起来像鸟鸣，即又称啁啾信号，而描述这个系统的一个重要参数就是啁啾质量），看波形与数据是否吻合。陈雁北：首先是定时、定位。（LIGO）两个探测器有很精确的定时系统。通过引力波形的时间差，可以判断出引力波源在天空中所处的一个圆环。再考虑两个探测器看到的振幅、相位信息，可以进一步更好的定位。但是想要达到比较好的定位，需要三个和三个以上的探测器。其次关于源的信息。抽取源的信息，有很多步骤看波形的振幅、频率随时间的演化，可以推断出黑洞的质量；通过两个探测器的不同振幅、相位，可以抽取出轨道平面的指向。再通过看波的整体幅度，就可以定出距离。马丁·亨得利：为了进一步确信这是从双黑洞合并事件发出的真实引力波，我们将在汉福德（Hanford）和利文斯顿（Livingston ）测得的数据与爱因斯坦广义相对论的理论预测做了比较。爱因斯坦的理论成功地通过了这一测试！这些理论预测取决于黑洞的物理特性：它们的质量和距离，最终形成的黑洞是否旋转（如广义相对论预测的那样），双黑洞系统的方向和其他参数。因为我们仅使用了两台引力波探测器来探测，并不是所有的系统参数都能很好地被确定。例如，原则上我们可以通过分析引力波在不同地点传来的时间差来确定它们在上空的位置。然而，通过两台探测器确定的天空位置并没有那么精准：它是面积非常大的一片天空（近1000平方度，或满月天空面积的约4000倍）。在我们数据所显示的范围内可以找到被观察到的事件，但我们不能更准确地给出这一位置。然而在未来，随着越来越多的引力波探测器被添加到我们的全球网络，我们确定引力波源位置的能力将大大提高。爱因斯坦的理论预测，引力波以光速传播，但我们的数据还不能完全确认是光速。然而，我们希望在未来探索这一问题，希望能检验引力波是否真的是以光速传播。历史性时刻中留名的华人科学家《知识分子》：LIGO科学合作组织有多少科学家参与？此次LIGO探测到引力波，他们各自做了哪些工作？布鲁斯·艾伦：我们发表的探测到引力波的论文有大约1000位作者，其分工与组织极其复杂。LIGO科学合作组织有许多工作小组（至少有二三十个）。多数小组的组长是选举产生，有一些则是由发言人指定。陈雁北：LIGO Scientific Collaboration有将近1000个成员，分工很细：有人设计、建造、调试实验装置（实验装置又分成很多具体的系统，有激光、光学器件、机械部分、电子和控制系统等等），也有人分析数据（分析数据还要按不同的源分成很多个组）。《知识分子》：在此次成功探测引力波的过程中，有哪些华人科学家做出重要贡献？陈雁北：清华大学以曹军威教授为首的团队，参与了LIGO的数据分析。其中有四位是这次文章的作者。西澳大利亚大学的研究组：鞠莉教授、赵春农教授（合作研制LIGO的实验技术）和温琳清教授（直接参与LIGO数据分析）等。格拉斯哥大学的Ik Siong Heng（王义雄）教授（引力波暴组组长，直接参与LIGO数据分析），英国伯明翰大学的缪海兴博士（光学和精密测量理论专家）。还有香港中文大学的助理教授黎冠峰，引力波数据检验相对论的专家，在广义相对论的检验方面发挥了直接的作用。另外还有一些比较年轻的中国科学家（学生、博士后）也很活跃。比如德国马普引力物理所的明镜（博士生）、清华大学的胡一鸣（博士后），都是直接参与LIGO的数据分析工作。这两位这次在网上发了一些很好的科普文章。我做的是理论的研究。我对LIGO的量子噪声和热噪声的计算、为Advanced LIGO的光学结构，以及设计灵敏度提供了理论依据。我后来参与了LIGO数据分析方案的研究和设计，为从LIGO数据中高效的提取双黑洞碰撞信号，以及运用双黑洞波形检验广义相对论提供了一些理论基础。天文学的新篇章刚刚翻开第一页《知识分子》：&如何评价LIGO直接探测到引力波的这一发现？它将如何影响未来的天文学与物理学？布鲁斯·艾伦:&它将为天文学研究开辟一个全新的领域，为研究黑洞和中子星等致密天体提供新的方法。马丁·亨得利：总的来说，我相信我们的发现是一个惊人的科学成就：它提供了黑洞存在的第一个直接证据，即它们可以以成对的形式存在，而这些对可以碰撞和合并，并在这一过程中以引力波的形式释放大量能量，这与广义相对论的预测惊人地一致。但是，我们的发现并不仅仅是检验爱因斯坦是否正确。探测引力波将有助于我们探测宇宙中情况最为极端的角落——黑洞的视界、超新星的最深处、中子星的内部结构——那些常规望远镜完全无法接近的区域。因此，对引力波的第一次直接探测和对双黑洞合并的第一次观察是了不起的成就，而它们仅仅是代表了一个令人振奋的天文学新篇章的第一页。我们将在下一个十年见证Advanced LIGO探测器的进一步改进，以及全球探测器网络的扩展，包括意大利的Advanced Virgo，日本的神冈引力波探测器（KAGRA），以及可能在印度的第三个LIGO探测器。这种增强的全球网络将显著提高我们的确定引力波源位置以及更准确地估计它们物理性质的能力。引力波天文学这一崭新的领域有着非常光明的未来！感谢德国马普引力物理所、清华大学博士后胡一鸣为采访提供的帮助&
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腾讯体育讯 日，山东济南，章丘市香草园首届冰雪节现场，6名俄罗斯的美女模特着比基尼泳装在冰天雪地大秀性感身材，现场上演速度与激情，引市民围观。
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