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如何评价 LIGO 科学团队宣布探测到引力波及其影响?

北京时间2月11日23点30分(美国东部时间2月11日10点30分),美国国家科学基金会召集来自Caltech,MIT和LIGO的科学家,在华盛顿特区的全国记者俱乐部就探测引力波的研究作进展报告。LIGO Scientific Collaboration

【王靖恒的回答(6131票)】:

本答案的第一个版本是复制粘贴了我的专栏文章:记一个大新闻的出炉——对,说的就是引力波的发现,这篇文章讲了2月11日新闻发布会之前4个多月的时间里,“LIGO发现引力波”的消息是怎么不胫而走、传的轰轰烈烈的。请不了解故事背景的同学,先看看这篇。

而今天我想谈的是——

零、LIGO新闻发布会说了些什么?

We have detected gravitational waves. We did it.
“我们探测到了引力波。我们做到了。”

细节:

1、这次发现的引力波事件发生于2015年9月14日9:50:45 UTC——记得我之前的专栏文章里怎么说的吗?

2015年9月18日,历经5年的升级改造,LIGO升级成为拥有十倍于原型灵敏度的“Advanced LIGO”并正式开始观测。仅仅一个星期之后,宇宙学家Lawrence Krauss就在推特上放出消息称“有传言(rumour)称LIGO测到了引力波。要是真的就碉堡了。消息确认后会更新细节。”

所以,在所谓“正式开始观测”前4天,LIGO就已经探测到了引力波!!!

至于这段话,

这次早产的流言很快遭到了官方压制——LIGO发表声明,他们会在信号中人为添加一些假信号,用来测试工作人员是否能正确提取信号。而由于除了极个别高管以外没人知道,这样的假信号会被基层工作人员误以为是真实的引力波事件。这种说法也许是真的,也许只是LIGO在泄密事件发生时的危机公关

没错。LIGO团队新闻发言人Gabriela González在发布会上,回答的第一个问题,就是Nature杂志记者问的,关于在正式开始观测之前(试观测)就已经探测到引力波这件事。González终于没啥心理负担的表示“Not an injection”——“人为添加信号”一说,确实是LIGO浑水摸鱼的危机公关之辞。

2、36+29=62+3,5.1 sigma

此前泄露的数字没错!(一个36太阳质量的黑洞和一个29太阳质量的黑洞并合为质量62太阳质量的黑洞,损失的3个太阳质量的能量以引力波释放了出来。信号的置信度达5.1 sigma,也就是有99.99998%的把握认为没看错,达到了“发现”的标准。)

现在,我终于可以大喇喇的把文章里的图贴出来了——在发布会之前一个多小时,一份从高能所流传出来的paper瞬间传遍了所有关心这件事的人。几分钟之内三四个不同渠道的人一起扔出了这篇文章共享,全都加一句“别外传……”。偷食之酸爽!

(分居美国西北和东南两角的LIGO的两个观测站,Hanford观测站和Livingston观测站测得的结果。上面是振幅随时间变化的波形,下面是频率随时间增长的情况。)(分居美国西北和东南两角的LIGO的两个观测站,Hanford观测站和Livingston观测站测得的结果。上面是振幅随时间变化的波形,下面是频率随时间增长的情况。)

(两个站的结果对比——在信噪比比较好的地方,几乎完全一致!)(两个站的结果对比——在信噪比比较好的地方,几乎完全一致!)

3、引力波源的光度距离大约是410 Mpc,也就是红移~0.09处,13亿光年之外。

银河系的直径仅仅是十万光年。到仙女星系的距离仅仅是250万光年。

13亿年前,当地球上仅有蓝藻辛勤的制造着氧气,为接下来漫长岁月里生命的繁荣做着准备的时候,两个算不上太大的黑洞与彼此融合——这融合激起的涟漪跨越13亿光年的无数星系团、气体、尘埃、恒星,扫过地球,引起相当于一个质子直径千分之一的微小变化——居然还就被蓝藻的后代发现了……(误:其实人类不是蓝藻的后代……否则都成了植物人……)

引力波源的方向位于南半球大麦哲伦云附近。但是因为现在LIGO只有美国这两个站,定位定的不准,只能画出这么个长条形的概率分布。等以后欧洲的VIRGO,甚至日本的KAGRA、印度的LIGO-India都上马之后,对引力波源方向的定位会有极大的改善。

4、两个黑洞合并瞬间,把3个太阳质量转化成了能量,以引力波的形式发射了出去。这个功率大约是可观测宇宙所有恒星功率之和的50倍

(在并合之前,两个黑洞之间的(在并合之前,两个黑洞之间的相对速度达到了将近0.6倍光速——对宏观物体来说,这相当夸张了。)

5、这次引力波事件的引力波振幅峰值是~10^-21,改造之前的LIGO,所谓“initial-LIGO”,其实也能勉强够得着这个灵敏度。但是光够得着峰值是不够的,要辨认出波形特征,需要能看到更暗的地方。这就是为什么改造前的LIGO用了十年时间一无所获,而改造之后灵敏度提升了10倍的advanced-LIGO,一开机就看到了想要找的东西。

但是注意,未来3年中,LIGO还会继续本轮的改造,其灵敏度还会有3倍的增长!迎接未来的更多引力波事件吧!

上图是LIGO发表的论文的“展望”章节。文中说“第一个观测季内的完整结果将在未来继续发表”。根据可靠线报,这个“完整结果”的意思是——在过去的四个月中,LIGO发现了不止这一例引力波事件!没错,在新闻发布会召开之前,引力波天文学的时代已经悄然拉开了序幕。

6、有趣的是,这次的发现是美国的LIGO做出的,而LIGO的欧洲伙伴,拥有一架稍小的激光干涉引力波天文台的VIRGO团队,也在同一时间召开了新闻发布会。美国的新闻发布会是美国国家自然基金委员会(NSF)的一名官员主持的,开场后先照例“感谢国家”、感谢国会、感谢纳税人了半天。所以一度VIRGO这边发布会的进程要比LIGO这边更快。

当然,平心而论,就这种事上,我们确实感谢美帝国主义及其纳税人。

当然,我们也希望有朝一日,世界可以因为这样的事情,感谢我们。

7、发布会上有一句话让我很感动:

这就是科学,我们不挑容易的事做。

一、引力波到底能告诉我们什么?

引力波的发现验证了广义相对论最后一个未被实验直接检测的预言,但引力波带来的认知革命绝不止步于此。引力波为我们打开了除电磁辐射(光学、红外、射电、X射线等)、粒子(中微子、宇宙线)之外,一个全新的窗口——我们从未能够以这样的方式观察宇宙。在引力波这个新窗口中,我们不再是以电磁场、物质粒子作为观察宇宙的凭借——我们感受的,是时空本身的颤动!因为引力波是一个bling~bling~闪闪发亮的崭新窗口,我们得以看到(或可能将会看到)很多以前极难观测的天体和现象。

引力波将会告诉我们:

1、黑洞是不是真的存在?

LIGO的直接探测到的第一例引力波事件(据说)来自两个恒星质量黑洞的并合。两个黑洞并合前,会在与彼此的绕转中搅动周围的时空,向四周散发出涟漪般的引力波。这些引力波带走了一部分双黑洞系统的引力势能,让两个黑洞越绕越近、越近越快。而两个黑洞最终并合之后,融合成的大黑洞会经过几下“摇摆”,才会融成完美的球形。所以今天发布的引力波事件的波形大体如下图所示:

在第一个阶段“旋进”时,引力波的周期越来越短(频率越来越高),振幅越来越大;到第二个阶段“并合”时,频率和振幅都达到极值;在并合之后的“衰荡”阶段,振幅急剧减小到零。这样的波形非常有特点——如果做成人耳能听到的音频,就像是旋转着冒出水面并破碎的气泡一样,非常有意思。(音频链接)

正是因为这种波形的振幅、频率变化非常有特点,让LIGO团队得以把这一类波形在各种具体参数组合下的不同形状做成模板库,用于和LIGO实际收集到的信号做匹配。所以LIGO才能够顺利的找到这次的引力波事件。

于是乎,既然探测到了两个黑洞并合的事件,我们自然知道——黑洞是存在的

你说,我们不是早就知道黑洞存在了么?

其实不完全是……实际上我们虽然已经观测到海量的天体物理现象,是可以用黑洞的存在予以完美解释的,比如绕银心旋转的恒星的轨道表明,它们所围绕的,是一个在很小尺度内拥有巨大质量的天体——但是这不一定是个黑洞呀……(虽然我们并不相信会是别的什么东西)

“非凡的预言需要非凡的证据”。黑洞是天文学家、物理学家的绝好玩具,好到他们不敢轻易相信它的存在。由双黑洞并合产生的引力波的发现,给出了黑洞确实存在的空前牢靠的证据。

注:其实思路上,还是只能通过观测数据限制绕转天体的质量和轨道半径。但是银河系中心天体周围的恒星轨道给出的限制在万公里量级(该量级具体数字我还在查证,但肯定大于万公里,而且我想可能大于亿公里量级),而引力波观测给出的限制在史瓦西半径量级,也就是百公里量级。我们得以把对致密天体的半径的限制提升好多个数量级。如果说几亿公里内还有可能有一些别的奇怪的中心天体存在的话,几百公里内,真的只有黑洞这一个选项了。

2、引力波是以光速传播吗?

有波就有对应的粒子。引力波对应假想的引力子。如果引力子像光子一样,没有质量,那也应该以光速传播,这是经典的广义相对论的预言。但是也有人表示,如果引力子有一点质量,也许有助于解释宇宙加速膨胀。而如果引力子有质量的话,它就会以低于光速前进。这样如果我们能分别观测到一次高能事件产生的电磁辐射和引力波,看看它们到达地球有没有时间差,就能知道引力波是否在光子之后抵达地球,也就是引力波是否以光速传播。

是,则再次捍卫老爱;不是,更是动摇物理大厦基础的重要发现。

实际上就在引力波大新闻的论文发表的同一期PRL上,就有另一篇文章讨论引力波的速度。这篇文章通过对我们发现的第一对双脉冲星(Hulse-Taylor脉冲星)的观测,把引力波的速度与光速的差别限制在0.01以下。

对了,这对脉冲星也是Hulse、Taylor两位前辈天文学家首次间接验证引力波所使用的源呢!PRL这显然是故意的^ ^

(Hulse-Taylor脉冲星轨道周期的变化,符合因辐射引力波损失能量而导致周期变短的广义相对论预言。这两位仁兄也因此获得1993年诺贝尔物理学奖。)(Hulse-Taylor脉冲星轨道周期的变化,符合因辐射引力波损失能量而导致周期变短的广义相对论预言。这两位仁兄也因此获得1993年诺贝尔物理学奖。)

3、宇宙弦存在吗?

有理论认为,宇宙早期相变过程中,可能产生极细却具有宇宙学尺度的长度的“宇宙弦”。

这些宇宙弦就像耳机线,总有一天会自己打成结。当它们打结时,结点会发生断裂,并以引力波的形式释放出能量。

这种现象,如果真的存在,引力波是其释放能量的主要机制。

(宇宙弦打结的时候释放出的引力波波形模拟)(宇宙弦打结的时候释放出的引力波波形模拟)

有些脑洞大的物理学家猜,也许宇宙弦的打结能够产生封闭类时曲线——通俗的讲也就是可以实现时间旅行——这确实是我们期待能探测宇宙弦的一个好理由。当然,应该注意到,过去一二十年中,COBE、WMAP等宇宙微波背景辐射(CMB)探测卫星并没有找到宇宙弦对CMB留下什么痕迹,也就是说即使宇宙弦真的存在,也不会有特别主要的作用。今天Kip Thorne在回应记者提问时,也表示,引力波会有助于我们加深对时空弯曲的理解,但要说时间旅行,还太太太早了点。

4、中子星上有山吗?

中子星是大质量恒星死亡时,核心残留的致密天体。它们的大小跟北京二环差不多,质量却可达两个太阳质量。这么致密的天体,表面重力加速度非常大,以至于任何一点凹凸不平,都应当会被重力差破坏掉。所以理论上,中子星应该是完美的球形。

不过有天文学家相信,也许中子星上也是有“山”的——海拔几毫米的崇山峻岭。这些“山”的存在,让中子星有了微小的不对称瑕疵,这样的瑕疵像一个小小的伤口,会使高速自转的中子星通过引力波不断损失能量。

而我们,可以通过监听中子星发出的引力波,来推测其上山峦起伏的情状。这给我们提供了一种新的探索中子星极致密物态性质的方法。

5、恒星怎么就爆了?

大质量恒星生命终点的时候,可能在一场剧烈的超新星爆炸之后塌缩为黑洞或中子星。但我们现在还不知道,超新星具体是如何点燃的。监听超新星爆炸时的引力波波形,与电磁波段的观测进行对比,可以给我们提供检验现有模型的更多依据。

6、宇宙膨胀的多快?

现在我们测量宇宙膨胀速度,使用的是Ia型超新星作为“标准烛光”——因为发现宇宙加速膨胀而获得诺贝尔奖的哪几个大哥,都是靠观测Ia型超新星拿奖的。

不过要是Ia型超新星不够准确,可就麻烦了。好在引力波能给我们提供一个独立的“标准烛光”:通过测量引力波事件的强度,我们能推算出引力波源的距离。如果我们能在电磁波段上找到引力波源所在的星系,就能比较该星系的红移与引力波源距离之间的关系——这样我们就又多了一种测量宇宙膨胀速度的方法

本段主要参考、编译自2月9日Davide Castelvecchi在Nature新闻栏目上发表的短文《Gravitational waves: 6 cosmic questions they can tackle》。

二、为什么是LIGO做出了这项发现?

1、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。

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。

2、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。震动隔离平台。主动减震。

2)干涉

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。

5)真空

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。

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【修川地藏的回答(116票)】:

gammaray.nsstc.nasa.gov

费米伽马爆探测器已经挂了一个preprint,声称他们在LIGO的GW20150914事件后0.4s观测到了一个40keV的持续1s的信号!而且找不到其他可能的对应信号源,各方面都和引力波的信号很符合!如果认为两者是同一个来源,那结合两个信号,可以把源的范围从600平方度缩小到199平方度

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这件事最大的经验教训就是告诉我们有一个好的姓多么重要!LIGO这次发的所有论文都是把作者按照字母排序,于是第一个都是那位B P Abbot,然后作者如果不是写 LIGO合作组的话,都是B P Abbott et al……

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最开始我结尾说文章必然如同雪崩一般,于是今天就开始了。

今天是罕见的gr-qc的新文章远超hep-th

LIGO一共发了11篇,1602.03837 到 03847,而昨天偷跑的论文是1602.03837。

把这些论文都读完不知道要到什么时候了。

相关的论文也出现了好多。

比较有趣的一篇是1602.03622,Giddings已经在里讨论怎么用引力波探测黑洞结构的量子修正了……

1602.03883也听好玩儿,和前天的02809很类似,都是讨论探测信号数量的一些影响。

今天是周五,等到下周一再打开arxiv,可以想见潮水一般的新论文会直接把人淹死。

等到周二的例行爆发日……那画面太美,我简直不敢想象……

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突然想到einstein@home就是LIGO的哎……那是不是参加过各位就算给这次工作添砖加瓦了?想想还有点儿小激动呢……

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刚看直播回来修改一下……居然是正式开机前的测试就发现的信号!!!!!!

看来我还是too young too simple了……

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相关的科普其它答主都说得很好了,我说点儿别的。

最早听到这个谣言的时候,我很吃惊。因为去年九月Advanced LIGO才开始运行,我们再扣除一下数据分析,验证结果,写作论文啥的花掉的时间,那基本就是刚开机没几个星期就探测到信号了。我坚决不信运气能这么好,刚刚开机就出现了一个,而且之后都没看到新的。所以这说明引力波信号非常多,以至于只要探测精度够了,一开机就是乌泱乌泱一大堆啊。

所以我猜他们到现在看到的引力波信号肯定除了目前谣传的这个以外还有很多信号的。估计这个可能是前期看到的多个信号中结果最好最明显的一个或者最早的一个,所以大概像刘博洋说的那样,不同的人会给出不同的谣传,大概说的不是同一个信号?

然后刚刚看到论文彻底震惊了,编号是GW20150914!!!这个意思是说这个信号是9月14号探测到的!!!要知道aLIGO的开机时间是9月中旬!!!那这说明刚开机没两天就看到了!!!比我之前猜的简直厉害到不知道哪里去了!!!

所以这一轮运行一共发现了多少引力波信号正在处理中,我简直不敢想象啊!

可以想见的是最近针对这一个信号的分析和模拟的文章一定会有一大堆——实际上谣言出来以后就已经有人挂了好几篇了。而且之后这轮运行的全部数据都发出来之后,那文章定然是雪崩一般啊!

【王安舟的回答(421票)】:

在今晚的新闻发布会之前, 先来预热一下我们可爱的爱因斯坦同志预言引力波过程的一些有趣的八卦。

1915年广义相对论出世, 1916年爱因斯坦就公布了存在引力波的想法,这是广义相对论的基本预言, 来源于广义相对论的线性近似,这个近似至今仍然被仍为是合理正确的并用于LIGO的测量中。

然而二十年后,也就是1936年,老爱同志又悄悄改变了他的看法,那时他已经来到美国快三年了。他在给好友Born的信中写道:

“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.”

意思就是他和某个合作者一起发现引力波是不存在的,之前的线性近似是错的。这个合作者其实就是他的助手,当时还很年轻,名叫Nathan Rosen,这么说有人可能还不知道是谁,但大家肯定都知道大名鼎鼎的EPR佯谬,这里的R就是Rosen。于是老爱就和Rosen很快写好文章投给了Physical Review,想尽快纠正先前的错误认识,投稿时间是1936年6月1日。这是老爱连投给这个杂志的第三篇文章,前两篇文章也非常出名,一篇是关于EPR佯谬,另一篇是关于Einstein-Rosen bridge,也就是后来大家更常说的可以做时空旅行的虫洞。前两篇文章都没经过审稿,直接被接受发表了,老爱同志心想老夫出马谁敢说不,倚天一出谁与争锋,呵呵一笑。不过他给文章起的标题还算低调“Do Gravitational Waves Exist?”,设问句的形式,答案当然是“No!”。

当时Physical Review的编辑是John Torrance Tate,此人我不是很了解,但据说他37岁(1926年)就当上了这个杂志的编辑,刚好是量子力发展的黄金时期,Tate抓住了这个机遇使这个杂志成为物理方面最权威的杂志之一。他担任编辑一直到1950去世。

Tate在给老爱同志的回信中写道,referee对你的文章结果有质疑,请做出回应。

虽然我不能从虫洞穿越过去看看老爱同志当时的表情,我想他一定很吃惊然后不屑,或许还有点生气, 他回信中写道:

翻译成英语就是

“Dear Sir,

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,

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

老爱同志说我没授权你把文章给别人看,看了也就罢了, 竟然还质疑,要再这样,我就把文章投到其他杂志去了。貌似这是老爱同志第一次被referee质疑,很是不爽。老实说看到这个回复让我有点惊讶,真是霸气十足,完全不把别人看在眼里。

老爱回信的时候Rosen已经去了前苏联,10月份新助手Leopold Infeld接替Rosen来到了Princeton。后来在他的自传里,Infeld回忆起第一次见到老爱同志的情形。当时在场的还有Tullio Levi-Civita, 这是一个意大利数学家,擅长张量分析也做过相对论方面的研究。老爱向他们介绍起自己的新发现,引力波是不存在的。作为一名晚辈,Infeld静静的听着他们的讨论,但越听越郁闷,一个德国人和一个意大利人说着他们自认为还是英语的语言着实难为了这位哥们。

听着郁闷归郁闷,但这哥们怎么说也是老爱大神的助手,岂能不积极努力表现一把,马上就说,他同意老爱的看法,并且给出了自己的一套证明。孺子可教也,老爱摸了一把胡须很是欣慰。

Princeton还有一位相对论专家Howard Percy Robertson,也就是宇宙学中R-W度规中的R(怎么又是R,呵呵)。当时他刚从Caltech休假回来不久,Infred跟他提起了老爱的新发现。Robertson不愧为专家,表示不相信这个结果而且很快指出了他们证明中的一处错误。关于相对论难懂,我们知道有个很流行的段子说世界上只有三个半人懂,那是相对论诞生之初,懂的人确实很少,但时间已经到了三十年代,已经有越来越多的人理解了并在发展应用相对论,Robertson就是其中一个。

受Robertson的提醒,老爱同志很快也意识到他文章中用到的时空度规可以做个变换,在变换后,之前时空中的奇点(这其实是个坐标奇点)就是新度规下的柱面波。所以引力波是存在的,也就是说老爱同志的文章真的错了。老爱连忙修改自己的证明,当时文章已经投给了另外一个杂志Journal of the Franklin Institute in Philadelphia。

故事到现在已经结束了,但有一个问题不禁要问:谁是那个referee?

那个referee report保留到了今天,洋洋洒洒一共写了10页,标准的美式英语,再考虑到那个时候能对相对论如此熟悉了解,其实候选人很有限,不出意外就是Oppenheimer, Tolman和Robertson中的一个。Oppenheimer大家都知道,几年后他成为曼哈顿计划的领导人,美国原子弹之父,当时他还在Berkeley,做了很多黑洞方面的研究,对广义相对论不可谓不熟悉,著名的Oppenheimer-Snyder黑洞就是他和学生Snyder手把手算出来的。Tolman名气要小点,他当时是Caltech的化学物理和数学物理教授,后来又转到相对论和宇宙学方面渐渐成为了专家。第三个就是上面说的Robertson,事情真会这么巧么?

解决这个疑惑其实很简单,查一查Physical Review的日志记录就清楚了,事实证明这个referee确实是Robertson(见下表第二行)。前面说了Robertson其实是老爱在Princeton的同事,但事有凑巧,他整个1936年的上半年都在Caltech直到8月才回来,这个时候老爱已经撤稿了(或者说被拒了)。这就不难解释为什么当Infred跟他提起的时候,他能淡定的指出错误。

貌似老爱也不完全是经过Robertson提醒才意识到自己的错误的,在最初的文章中,他认为是线性近似不恰当导致引力波的存在,于是他就试图去找其他类似的线性化不恰当的例子,他的选择是旋转对称的引力场。他的计算草稿在第11页戛然而止,貌似他觉察到什么问题了,这也很可能让他怀疑起自己前面的引力波文章。无论如何,老爱同志总算意识到自己的错误并且纠正了,但另一个作者Rosen呢,此时他在前苏联,很可能还一无所知。貌似老爱也不完全是经过Robertson提醒才意识到自己的错误的,在最初的文章中,他认为是线性近似不恰当导致引力波的存在,于是他就试图去找其他类似的线性化不恰当的例子,他的选择是旋转对称的引力场。他的计算草稿在第11页戛然而止,貌似他觉察到什么问题了,这也很可能让他怀疑起自己前面的引力波文章。无论如何,老爱同志总算意识到自己的错误并且纠正了,但另一个作者Rosen呢,此时他在前苏联,很可能还一无所知。

我们或许能想象当Rosen看见自己的文章以一个不同的标题和结论出现在一个不同的期刊上的表情,简直是穿越了啊,到底发生了什么?或许是不甘心,即便看到了原初证明中的错误,奇点就是柱面波,他依然坚持平面引力波不存在,后来这个观点依然被证明是错的。哎,毕竟引力波之前一直没有被直接探测到,争议和质疑是不可避免的。这不,直到战后,Rosen和Infeld还时不时表态引力波不存在。不过今天, 我们终于可以宣称直接看到引力波了。这距离老爱1916年的文章已经过去整整一百年了。

回过头看,其实老爱那篇文章归根结底是想推翻自己之前的结果,自信心十足理所当然,但他对referee的态度确实过于傲慢和霸道,但老爱知错就改,并不顽固。再联想宇宙学常数的修修改改以及与波尔的量子力学原理的论战,他总是在质疑和批判,与人斗与己斗,永远是那么可爱。

主要参考资料: dafix.uark.edu/~danielk

【卢小伟的回答(265票)】:

这是广义相对论最后一块拼图,这是时空本身的震动,这是天体物理学的新时代,这是人类迈向宇宙的新起点,这是地球文明睁开双眼去寻找宇宙终极理论的时刻。

我无法形容今夜的热血,作为痴迷于相对论和天体的人,上一个冬天,我还在三联书店做了一个通宵的演算和笔记

如果真的有一天触碰到物理和宇宙的终极理论,那么

朝闻道,夕死可矣

【范型钟的回答(22票)】:

占坑,早上起来填

不过面对一群比我专业得多的,我好像也没什么话说啊QAQ

先放之前写的总结:

LIGO发布会简单总结:

We have detected gravtional waves. We did it!

首先,介绍LIGO这个项目经历的时间(前后总共50年),最后直到2015年9月14日检测到这次引力波的集中释放。这次LIGO检测到的是13亿光年外两个恒星级黑洞的碰撞,根据之前的观测和理论计算,这次的观测结果和预计相符,而且很清晰(very specific characteristic),又经过数月的检查,确认这个信号确实来自于这两个黑洞而非仪器问题或者其他物理源,证明这确实是一次被直接观测到的引力波传播现象。

随后两个视频演示了黑洞合并的过程和其中的引力波释放过程,简而言之就是运动质量对空间(准确来说是时空,spacetime)的拉伸和压缩,这是LIGO第一次观测到双黑洞合并以及其产生的引力波。两个黑洞的质量在36倍太阳质量和29倍太阳质量左右,合并之后的黑洞质量为62倍太阳质量,还有3个太阳质量以引力波的形式释放。黑洞合并的过程达到光速的一半,使得释放的引力波时长处于毫秒级,但依然被观测到了。

LIGO位于路易斯安那Livingston Parish的LIGO Livingston观测点,和华盛顿 Hanford的LIGO Hanford观测点几乎同时检测到了强度基本一致,而且符合预测的引力波。更为关键的是,LIGO不仅看到光线的变化,而且听到了引力波,因为引力波的波长处于人耳可以听见的范围,也就是说:

We begin listening to the universe.

随后介绍了LIGO这个项目的情况,即两个观测点,以确保观测误差和干扰尽可能小,做一份双保险。除此之外,德国的一个联网的观测站也已经启用。LIGO网络还将建立两个观测站,和在印度规划的LIGO India站,组网观测引力波。LIGO通过一个原理即迈克尔逊干涉仪的装置,将光按波长分束并形成干涉,然后通过检测引力波扭曲时空造成的光的扭曲来检测引力波的存在。这种扭曲的尺度大约在10^-18m的数量级,对应的LIGO的设施长度达到了4km。LIGO还通过一种原理是摆锤的手段消除杂光的干扰。

引力波是爱因斯坦基于其广义相对论预言的质量在加速过程中释放的波,广义相对论发表至今已有100年,也正好在此时验证了爱因斯坦的最大的预言。

最后,著名黑洞研究专家基普索恩还说明了引力波探测研究的前景。目前真正开启并已经有了发现的引力波探测窗口就是LIGO关注的毫秒级窗口(时间窗口),另外对大尺度的观测,有位于南极的BICEP探测器,这个探测器曾“发现”原初引力波的存在但后来被证明是银河系内尘埃的干扰。不过在接下来的10~20年内,分钟到星期、数年到数十年以及更长时域的窗口也会陆续打开:空间探测器能够探测天内到数星期的引力波变化;地面射电阵列能检测引力波数年的变动;而早期的引力波探测目前仍由BICEP主导。

最后的问答环节略。

三句话总结:

1.人类直接发现了引力波,人类牛逼!

2.这是美国主导的,美国牛逼!

3.你们看这很牛逼吧,国会你再给点钱?

We have detected gravitational waves. We did it!

以上内容如有问题,敬请批评指正,谢谢!

【浚泱的回答(48票)】:

这是本系引力大佬、Quantum loop gravity的开衫鼻祖Ashtekar昨晚群发的邮件。自己感受一下吧。另外,美国东部时间二月十一号早上坐等大新闻!

【胡梦晓的回答(174票)】:

转发自我的专栏 zhuanlan.zhihu.com/zqyi

引力波的发现,从天文或者宇宙学角度看,类似于发现微波背景辐射; 从物理学角度,类似于当年从实验上证实电磁波的存在。据说当年刚发现电磁感应时,面对质疑,法拉第说,一个刚出生的婴儿,你不知道未来他会有如何广大的前程。电磁波就是当年的婴儿,现在的巨人。未来引力波是否跟电磁波一样有重大的应用价值,很难预测,但可以想象。更何况 引力波现在处于即将临盆的状态,还不是婴儿呢!

笔者并非黑洞物理学或者引力波的专家,但是由于研究光力学,对引力波的实验探测也一直都很关注。据我所知,对引力波的实验探测立项有三十多年了。在1981年,加州理工的C. M. Cave写过一篇理论文章,深入的分析了如果要用迈克尔逊干涉仪来探测引力波,所要客服的各种噪声,他还讨论了量子噪声对测量的影响。这篇论文成为了后来LIGO项目的立项重要基础之一,当时Caves刚刚博士毕业两年(导师是Kip S. Thorne),已经完成了如此重要而系统研究,真是英雄出少年。在学术上要迅速成长,一定要尽早参与或者承担最前沿而重要的科研项目。

Caves的理论认为,要提升干涉仪的灵敏度,最好能把干涉仪的镜子质心振动态做到量子压缩态,这样可以突破其对位置的测量精度的量子极限。而要实现这一点,需要我们在实验上制备出量子压缩光。面对理论上的需求,实验家们很快行动起来。当时,吴令安、彭堃墀和肖敏等人正好在德州大学奥斯丁分校的Jeff Kimble组念博士(访问学者),他们一起,最早实现了压缩光源,这个技术最近已经应用到了引力波探测中。后来吴令安回到了中科院物理所做研究员,一直从事量子光学的研究,较早的演示了量子保密通讯以及鬼成像等。彭堃墀回到了山西大学,创立了山西大学光电研究所,进一步的优化压缩光源,他们做的压缩光一直处于世界前列。彭堃墀后来被评为中科院院士。肖敏后来在美国阿肯色州立大学做教授,2009年,受国家“千人计划”的资助在南京大学创立了一个研究组,研究量子光学相关的课题。引力波探测这个项目,间接的促进了3位中国物理学实验专家的迅速成长。不仅如此,以这个项目作为背景,人们对光与宏观机械振子之间的相互作用产生了浓厚的兴趣,所发展的相关技术,为实现宏观系统的量子叠加态提供了重要的技术支撑。

《星际穿越》中的虫洞

1984年,在加州理工的Kip S. Thorne教授等人推动下,探测引力波的LIGO开始启动,这是美国的自然科学基金会资助力度最大的一个项目。项目一直持续了30多年,现在终于结出了硕果。Thorne是费曼的师弟,惠勒的学生,他31岁就当选美国科学院院士。如此年轻就获得了他人需要奋斗半辈子的荣誉,使得他能够在四十出头就有足够的影响力来推动LIGO项目。他也是与科普以及科幻联系很紧密的物理学家。在1985年,他就帮助卡尔. 萨根在其科幻小说《超时空接触》中提出用虫洞来实现星际旅行。这本小说后来在1997年拍成同名的电影,影响很大。Thorne本人,则撰写了数篇学术论文,论证了虫洞如何才能稳定的存在。后来他对虫洞一直念念不忘。在2009年退休后,他深入的参与电影《星际穿越》,把虫洞这个理论上的模型在电影荧幕上精准的表现了出来。

在我看来,Thorne之所以一直与美国科普以及科幻界保持密切的联系,某种程度上也是为了公共宣传,树立正面的形象,从而给LIGO项目筹集所需的资金。确实,要说服公众花钱去观察若干光年之外、与我们的现实生活毫无关系的黑洞融合所发射出的引力波是很难的。Thorne 通过多年来与科幻电影的深度合作,把相关的科学概念无缝植入了电影等媒介中,润物细无声的影响了公众,为LIGO项目持续的获得充足的资金资助做出了重要的贡献。如果我们中国要做一个类似的研究项目,一流的科学家们要主动的走出来,与媒体以及娱乐圈合作,将科学与电影电视等娱乐产品融合起来。一流的学术研究成果,也许暂时没有太多实际用途,但是一旦与娱乐结合,肯定能丰富人们的精神生活。

【李靖儒的回答(68票)】:

这里有直播:National Science Foundation

PRL上的文章地址:Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016)

下载地址:journals.aps.org/prl/pd

备用下载地址:pan.baidu.com/s/1mhq5Rx

底部有彩蛋

Nature官网上面有报道现场的照片:

图片来自:图片来自:twitter.com/NatureNews/

图片来自图片来自twitter.com/RichMonaste

图片来自:LIGO live: Inside the hunt for gravitational waves : Nature News Comment

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

《Nature》的预热:

图片来自Einstein"s gravitational waves found at last : Nature News Comment

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

为了避免答案被折叠,上面的各位大牛都普及各种知识了,我只好民科一下LIGO experiment 了:

图片来自图片来自twitter.com/hashtag/gra

装置草图:

图片来自图片来自Einstein"s gravitational waves found at last : Nature News Comment

这个实验是这样的:

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

单光束split成两道,每道都会打到干涉仪的one arm上

然后,在arm底端上安有镜面,每述光就会被这样来回bounce,然后recombined。然后,在arm底端上安有镜面,每述光就会被这样来回bounce,然后recombined。

因为每支arm是等长的4km,所以recombined的laser beam完全cancel out。因为每支arm是等长的4km,所以recombined的laser beam完全cancel out。

当远距离的激发事件(cataclysmic event )产生的引力波,比如双黑洞merging,到达LIGO detector(探测器),时空(space-time)的律动的拉伸(rhythmic stretching and squeezing)会引起探测器管道(pipe)阶段性的变化(变长变短):

那么结果就是,recombined的beams就不会再互相抵消(cancel out):那么结果就是,recombined的beams就不会再互相抵消(cancel out):

相对的,一种脉冲信号的迹象会被检测到:

即便因为距离太大,shift很小,并且有很多噪声的因素存在,不得不改进原有装置,这花了非常多的金币:

经过升级版的LIGO instrument还是可以通过大量的实验检测得到:

这是他们今天发布的数据:这是他们今天发布的数据:

上述资料参考:Have Einstein"s gravitational waves finally been found?

Explainer: the Advanced LIGO experiment

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

好了,民科结束,应该不会删我答案了,继续更新:

YouTube上有一个很好地科普引力波的视频,而且还挺逗的:

youtube.com/watch?

这个是New York Times的预热视频:

nytimes.com/2016/02/12/

Gaby Gonzalez "We can hear universe!"

Kip Thorne 在介绍LIGO的历史:

在现场向爱因斯坦致敬:

这是来自中国新华社的报道:这是来自中国新华社的报道:

以上图片都来自以上图片都来自twitter.com/search?

没有人会忘记爱因斯坦的杰作:

参考资料:

Gravitational waves: Why they"re such a big deal

LIGO makes gravitational wave announcement today

advancedligo.mit.edu/

Have Einstein"s gravitational waves finally been found?

LIGO live: Inside the hunt for gravitational waves : Nature News Comment

twitter.com/hashtag/gra

theadvocate.com/news/14

Scientists make first direct detection of gravitational waves

Einstein"s gravitational waves found at last : Nature News Comment

The hundred-year quest for gravitational waves a

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