活动回顾 | 两小时，听懂“引力波”
2016/3/9 三联生活周刊
-『两小时，听懂“引力波”』分享活动-
嘉宾：苟利军
时间：3月6日
2月11日，美国一场关于引力波的发布会震惊世界，也将我们普通人的目光引向深邃神秘的太空。上周日，中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学教授、《星际穿越》一书译者之一苟利军教授做客『三联·阅读汇』，为读者深入浅出地讲解引力波、黑洞和虫洞的科学世界。
精彩回顾
苟利军
2月11日，美国自然基金会联合美国加州理工学院和MIT，发布了一个简短的新闻发布会，这个新闻发布会的主题就是关于引力波。这场发布会有三个要点，第一，是在等待了大约100年之后，人类终于第一次直接探测到了引力波。第二，回答了引力波是由什么来产生的。这次我们所探测到的引力波是由两个恒星量级的黑洞在互相绕转过程当中，最终合并，产生非常强烈的引力波。第三，提到了LIGO，中文名字叫“激光干涉引力波天文台”。这个天文台现在在美国，在其他的地方也有一些，它的灵敏度是目前所存在的探测器当中最高的，所以是它最早探测到引力波。
引力波是什么呢？这就要谈到“引力”和“时空”。人类最早认识引力，是牛顿坐在苹果树下看到苹果落下，意识到所有的物体之间应该都有引力，之后他提出了万有引力定律。简单而言，认为只要有质量，就有引力的存在。而且牛顿对引力的大小做出了数学化的表达。
在牛顿的时代，认为时间和空间是完全绝对的，是相对独立的。但之后的几百年中，越来越多的观测发现，时间和空间并不是绝对的。1905年，爱因斯坦提出狭义相对论时，有一个非常大胆的假设：“光速是恒定不变的”。这是第一次将时间和空间联系到了一起。1915年，爱因斯坦提出等效原理，认为重力场和适当的加速度所产生的引力是不能区分的，是等效的。在广义相对论当中，爱因斯坦最终将物体的时空几何结构和物体的能量动量的分布，总结成一个非常简单的表达式。1916年，爱因斯坦得到了这个方程的一个解。他假设在弱引力场的时候，方程可以转化成一个波动方程，时空可以产生一个类似于水波一样的波动。这个波动非常类似于我们日常生活当中所见到的水波，所以大家时常也称引力波为“时空的涟漪”。
引力波产生非常困难，因为它需要非常大的能量变化。目前所知最大的氢弹爆炸，产生5000万当量。而在距离中心一米的位置，它所产生的时空的变化仅仅是10的负27次方。宇宙中有非常致密的天体，可能对时空造成相对较强的扰动。现在我们知道除了双黑洞绕转之外，双中子星也可以产生相对较强的扰动，或者单个中子星绕转。但是如果单个中子星绕转的话，必须有一定的不对称性，才可能生产生引力波。如果一个完美的球形转动的话，不会产生引力波。第三类是超新星爆发，在非常短的时间之内，也会释放出来特别强烈的能量，从而对时空产生影响。
还有第四类，所谓的原初引力波。我们的宇宙是产生于138亿年前的一次大爆炸，之后又有一个暴涨过程，宇宙的体积、尺度在小于1秒当中发生了非常大的变化。这种突如其来的变化，也对于时空有非常大的扰动。宇宙膨胀到现在，这种引力波已经非常弱了。现在可以通过观测宇宙背景辐射的光子的偏振，来探测原初引力波。
第一个引力波是在2015年9月14号被探测到，它的命名方式是GW150914。它的信号长度只有0.2秒，也就是说我这说一句话的时候，它已经爆发了好几次了，如果真的有的话。对于LIGO(“激光干涉引力波天文台”)的影响度，镜子的尺度变化大约是10的负18次方米。这次探测到的是两个黑洞，其中一个是36倍太阳质量，一个是29倍太阳质量。它们刚开始是绕转，最后在非常短的零点零零几秒的时间之内合并，合二为一了。
双黑洞合并模拟
我们知道引力波是爱因斯坦的场方程的解，黑洞也是爱因斯坦场方程的一个极端解。它是一种连光都逃不出来的天体。我们是不能够直接看到黑洞的。
黑洞有时间变慢的效应。在《星际穿越》的电影当中，主人公库珀教授，跑到非常靠近黑洞的星球上。他们在那个星球上只待了三个小时，当返回到主飞船的时候，黑人已经几乎很绝望的看着他们，告诉他们说，20多年已经过去了。
理论估计，银河系中大约有1000万个恒星级黑洞。黑洞本身不发光，所以非常难以看到。到目前为止，我们仅仅探测到19个。在银河系当中还有一个超大质量的黑洞，它的质量大约是430万个太阳质量。
要实现星际穿越，通常我们认为最有可能的就是虫洞，虫洞又是爱因斯坦理论当中一个解，有时也叫做爱因斯坦罗森桥。从地球出发到织女星，如果仅仅限定在我们这个宇宙当中，最短的距离也需要25光年，在高维空间我们只需要几米。虫洞相当于高维空间的一个通道，给我们提供了一个便捷的方式，让我们进行星际旅行。通常认为虫洞很有可能自然存在于黑洞的中心，而我们又到不了这个中心。即使黑洞的中心可以产生所谓的虫洞，还有非常大的问题，它的时标只有10的负43次方秒，尺度大约只有10的负35次方米。如何能达到非常大的尺度，让飞船能够穿越，还有支撑的时间足够长，让飞船有足够多的时间穿过？这都需要我们进行思考。
再回到引力波本身。我在最开始的时候说过，我们目前所有的感知方式或者探测方式都是非常类似于人的眼睛，我们是只能看到不能听到的聋子，但是引力波相当于一下子打开了一个全新的窗口，一个聋子突然有一天能够听到声音了。宇宙这么大，应该是有非常非常多的天体能够产生引力波，这种方式可以为我们探测宇宙产生全新的方式。
黑洞合并时的声音
引力波在两个黑洞最接近合并的时候频率达到最高，如果引力波频率对应到声音的频率，我们的耳朵是可以听到的，大约是200赫兹。有一个“biu”的声音，那就是黑洞合并时候的声音，就在那一瞬间。
引力波的发现，可以类比为无声电影跟有声电影之间的差别。现在我们还没有很好的利用引力波，但是以后，比如50年之后，我们再回望今天，之间的差别就非常类似于无声电影和有声电影了。我们现在基本上不会再想去看无声电影了。引力波是人类探索宇宙的又一次飞跃。每一次飞跃都给人类带来了量上了变化，从人类认识文明上来看，应该是非常大的变化。
麻省理工大学校长赖夫在新闻发布会上说：“基础科学是辛苦的、严谨的和缓慢的，又是震撼性的、革命性的和催化性的，没有基础科学，最好的想法就无法得到改进，创新只能是小打小闹，只有随着基础科学的进步，社会才能进步。”
我非常赞同，所以我借用了他这段话作为结尾。
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