13亿年的等待 揭秘引导人类穿越时空的宇宙天籁

好，下面就来介绍一下这个引力场里边的波动引力波，那要把这件事讲清楚，就要回到爱因斯坦的广义相对论，那在几分钟之内给大家介绍清楚广义相对论也不是一件容易的事情，但是我想给大家一个最直观最直接的一个概念，就是刚才我们讲的这个引力场，爱因斯坦在1915年所提出的广义相对论，正式提出所谓的这个引力场就是我们的时间、空间，我们的时空就是这个引力场，所以这个是广义相对论的一个基本的一个概念。

时间和空间，大家有一个观念上的转变，并不是一个抽象的一个概念，一个抽象的单位，或者一个抽象的这个名词。它是客观存在在物质周围，把物质联系在一起的一个客观存在的这样的一个场。

那这张图就是以太阳和地球之间的这样的一个关系来解释时空跟物质之间的关系。那牛顿的理论就是说万有引力，之所以地球围绕太阳转，是因为中间有一个万有引力，这个力是跟质量成正比，跟距离成反比。那这件事，实际上爱因斯坦是不认可的，爱因斯坦讲，就是说没有这样的一个引力，实际上存在的是除了物质之外有这样的一个时空在存在，我们叫物质引导时空弯曲，太阳和地球导致了这样的一个平直的一个时空，发生了弯曲以后，地球它也想走最短距离，但是由于太阳的质量非常大，所以它所走的这样的一个这个轨迹变成了一个圆形，围绕太阳转。而时空引导位置运动，所以就变成这样的一个相互关系。

所以大家在想到这个物质的同时，我们应该去把这个观念来变一下，除了物质本身，客观存在的还有它周围的时空，这个不仅仅是太阳、地球这样的一些大质量的物体，实际上你我之间，所有的我们存在的这些物质之间都有这样的一个时空之间的这样的一个联系。

你想像一下，如果太阳瞬间消失了，那么地球可能就会沿切线飞出去，但是这个地球怎么会知道太阳消失了呢？对吧？太阳消失了，导致了这个时空场的一个变化，那地球，这个变化会指引地球去沿着这个不同的方向去运动，所以这样的话这个这种所谓引力的传播就有了解释，就是说引力波就是传播引力变化这样的一个时空里边的这样的一个波动，所以我想，就是说如果大家其他的基本理念没有搞清楚，但是一个观念要转变过来，就是除了物质，我们客观存在在我们周围的，还有一个时空。时空不是一个抽象的概念，是客观存在的，可以携带能量的。我们在这时空里边运动的这个引力波它是携带了实实在在的能量，这个我们后边会给大家解释。

引力波，13亿年的等待

我动一下，你跑两步，同样会发出引力波。一个桌子，你用一把尺子去量它，一米长，那引力波到了以后，那你再去量它发现它不是一米长，并不是这张桌子变了，而是你这把尺子变了。

解说：1916年，爱因斯坦就预言了引力波的存在，不过还只是一个理论构想，爱因斯坦认为由于引力波太过微弱，无法被探测到，整整一百年后，科学家们真的探测到了引力波的存在，他们是如何做到的？这样的突破究竟意味着什么？亲身参与了人类首次成功探测引力波的科学家曹军威继续为大家解密引力波。

曹军威：爱因斯坦1916年在广义相对论提出之后就预言了引力波的存在。那这个预言非常简单，任何加速运动的物质都会发出引力波，也就是说我动一下，你跑两步，同样会发出引力波。只是这个引力波可能非常非常的微弱，那这里这张图里边的两个动画，就来解释了引力波的传播的方式，那它在一个方向上把时空给拉伸，在另一个方向上把时空给压缩，那它在三维这样的一个方向上，它是以一定的规律去在一个周期拉伸、压缩，在另外一个周期又拉伸、压缩，是这样的一个过程。

而且这样的一个过程是在四维的时空产生的，不仅仅是空间而且是四维的。所以给大家一个引力波产波的一个非常直观的这样的一个概念，而我们这次所探测到的就是这样的一个引力波传播到地球所导致的一个空间弯曲的这样的一个微小的一个效果。

好，下面我们就把刚才我们演示的这个双黑洞并合的这样的一个过程加上我们刚才讲到的这个时空弯曲的这个理念再来这个大家看一下，这样的一个录像。这样的话，如何来释放引力波这个过程？

在这张图里边大家可以看到我在底下已经有了这个相对的这个引力波的这个我们探测到的这个引力波波形，而在这个图本身除了两个相互环绕的黑洞的这个物质以外，我们又演示出了它所带来的时空上的这样的一个变化，而这个在左上角大家看到是一个时间的尺度，就在不到一秒的这样的一个时间里边，这底下这个曲线已经走到了非常非常近，大家可以看到，不仅仅是这个物质它在这个相互接近，而是它所带来的这个时空的这个弯曲，它也在相互接近，而在接近到最后并合的这个剧烈运动的这一瞬间，那它爆发出来一个巨大的引力波。

这个引力波把巨大的两个黑洞并合所损失的质量，以能量的形式输送到了时空这样的一个场里边去，所以这个是一个剧烈的天体过程，只有剧烈的天体过程才会导致我们物质跟时空之间的一个能量的这样的一个转化，而这个能量的转化就变成一个引力波输送到时空里边传递出去，而我们最终在地球上探测到的就是这个巨大的引力波，经过了很长时间传输到地球。

好，那这个就是我们整个跟大家讲一下双黑洞并合导致时空弯曲，并释放引力波的这样的一个过程。

那下面就是这样的一个引力波传到地球以后，对地球产生的影响是什么样？那地球它作为物质它是有一个引力波扫过，这个引力波可能是在一秒的过程中对地球所在的时空造成了一些波动，大家可以看到，那在频率越来越高，越来越高，给地球这个时空造成了这样的波动，那这个波动大家怎么理解？真的物质就变长？或者时间就变长、变短了吗？的确是这样，而且大家去理解，如果你这个一个桌子你用一把尺子去量它，你觉得它是一米长，那引力波到了以后，那你再去量它，发现它不是一米长，那我们一个形象的比喻，就是说并不是这张桌子变了，而是你这把尺子变了，引力波所导致的变化是你这个标价的一个变化，是你这把尺子的变化，所以从这个角度大家去理解所谓的空间的弯曲和时间的这样的一个变化的概念。

那这个是我们探测器本身它所最终从10的负10次方，最终实际上是要到每个小格是10的负18次方米，而这个引力波的到来只是在这4个小格里边，这个在长度上，在空间上做了一个这样的一个微小的变化，我们探测的就是这样的一个变化。那如何探测到这样的变化？这张图就是我们在美国的引力波天文台，它是一个本质上是一个激光干涉这个激光干涉仪，它的臂长有四公里，两个垂直的四公里长的臂长，最终在中间它有一个交集，这样的话，这个如果这两个臂长严格等长的话，这个光反射回来以后，它不会产生信号，完全抵消。

如果这两个臂长由于引力波的扫过，在一个方向上被压缩，在另一个方向上被拉伸的话，两个臂就不严格等长，这时候我们在这个成像仪上就会看到引力波的没有被抵消的这样的信号，那它的这样的一个工作原理，就是我们讲的，我们的引力波的这个激光在这个两个镜面之间，经过多次的反射，那我们可以延长它的测量距离，这样的一个测量我们最终是在成像仪上来看到最终的是不是两个臂严格等长的这样的一个信号，这样的一个工作原理是一个基本的，迈克尔逊干涉仪的工作原理，那么为什么我们以光，激光作为媒介？就是因为在爱因斯坦狭义相对论到广义相对论整个这个理论体系里边，唯一不变的就是光速，而时间、空间都是相对的，都是变化的。

我们要测量到这样的一个相对的变化就必须用这样的一个绝对的这样的一个光的，激光的这样的一个作为媒介去精密测量到这样的一个变化。这里边我们再形象地演示一下，引力波跟探测器之间的这样的一个相互作用。那这束激光打过去以后反射回来，那如果两个臂在变化的话，大家可以看到，在这边成像仪上就会有一些信号，那再具体一下，我们这个光波，波长是一定的，那它在这个镜面反射回来以后，那主要是大家关注这个反射回来以后到成像仪上的这段的这个信号，可以看到如果臂等长的话，这段信号是安全抵消的，这两个这个光的波长是完全抵消的，如果两个臂发生变化，大家可以看到这两个光波它是不可能完全抵消的。

这时候它就会产生我们探测的信号，实际上这是一个我们引力波干涉仪的一个最基本的一个原理。就可以有信号产生。

那我们刚才讲到了我们看到的引力波的波形，讲到了我们的引力波源是双黑洞，讲到了我们探测器的基本原理，那我们下边这段视频是给大家解释再重新回顾一下，从黑洞并合到我们探测到引力波的这样的一个整个的这样的一个过程。那我们想像太空中是这样的一个时空，时空里边它是有物质的存在，那如果这个物质是两个双黑洞，在这个互相环绕的话，那它不断地环绕释放出引力波，那环绕的过程中它事实上就是对这个时空的一个搅动，这个搅动本身就释放引力波，使得这两个黑洞之间的距离越来越近，最终这两个黑洞是并合在一起，并合的过程是一个非常剧烈的这样的一个过程，发射出大量的这个引力波。

所以这个就是刚才我们一直在强调的引力波源的这样的一个过程。这样的一个信号，经过了无数个我们叫星系最终传到了地球，这个距离有多远？13亿光年，就是我们主持人在最开始提到的历经了13亿年，（引力波）到达了这个地球，那它的距离也是13亿光年，也就是说实际上这个并合发生在13亿年之前，而就在它到达前一周我们在美国的这两个地方准备好了两个刚刚达到探测精度的天文台，它的到达使得这天文台的两个臂产生了一个不到一秒时间的一个时空的弯曲，而我们恰恰就探测到了这样的一个引力波信号。这就是我们一直在讲的，13亿年的等待，最终一秒钟，人类邂逅引力波。

那反过来，我们拿到这样的一个信号以后，我们再去计算，这个引力波源的一些信息的话。那我们是反推出来，这个引力波源它是有两个黑洞，它的这样的一个这个质量，一个是29太阳质量，一个是36太阳质量，那么它们并合起来以后，本来应该是65太阳质量但实际上它是62太阳质量。

也就是说，在不到一秒的并合过程中有3个太阳质量相当的能量以引力波的形式由物质转化能量输送到了个时空里面去变成引力波发射出去，而最终13亿年后我们探测到的就是这样的一个引力波。时空穿越、星舰文明，将来是不是能实现我想没有不可能的事情。

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