美國當地時(shí)間2月11日上午10點(diǎn)30分（北京時(shí)間2月11日23點(diǎn)30分），美國國家科學(xué)基金會(huì )（NSF）召集了來(lái)自加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院以及LIGO－Virgo科學(xué)合作組織的科學(xué)家，在華盛頓特區國家媒體中心宣布：人類(lèi)首次直接探測到了引力波！
幾乎所有人都在追問(wèn)到底什么是引力波，作用是什么？盡管很多文章試圖用通俗易懂的語(yǔ)言解釋?zhuān)墙Y果還是差強人意。比如這樣的解釋?zhuān)阂Σㄊ菒?ài)因斯坦廣義相對論所預言的一種以光速傳播的時(shí)空波動(dòng)，如同石頭丟進(jìn)水里產(chǎn)生的波紋一樣，引力波被視為宇宙中的“時(shí)空漣漪”。還有其他解釋?zhuān)阂Σㄊ且环N與電磁波不同的輻射，無(wú)法通過(guò)電磁輻射直接觀(guān)測。引力波與宇宙中物質(zhì)的相互作用是非常微弱的，因此可以傳播至很遠的宇宙空間。
與其描述的如此復雜，不如做個(gè)簡(jiǎn)單的聯(lián)想。在哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)教授紹博爾齊·馬爾卡看來(lái)，人類(lèi)此前的天文學(xué)發(fā)現都好似“眼睛”，而引力波的發(fā)現意味著(zhù)人類(lèi)長(cháng)了“耳朵”。以前人類(lèi)探測宇宙依靠的是光波和電磁波，現在有了光速傳播的“聲音”，人類(lèi)自然就能獲取更豐富的宇宙信息。
這個(gè)比喻并不是空穴來(lái)風(fēng)，事實(shí)上，引力波不僅具備視覺(jué)探測所不能及的信息，而且，其探測裝置與人的聽(tīng)覺(jué)系統還有異曲同工之妙。筆者就從引力波發(fā)現的過(guò)程和昨天的LIGO的新聞發(fā)布會(huì )所公布的資料進(jìn)行簡(jiǎn)單解釋?zhuān)Ｍ鹱x者朋友們更多的思考。
引力波的探測信號人類(lèi)可以聽(tīng)到
美國東部時(shí)間2015年9月14日5時(shí)51分，位于利文斯頓的探測器首先傳出撞擊聲，7毫秒后，漢福德的探測器也傳出撞擊聲。這意味著(zhù)有引力波傳到了地球，并被美國的“激光干涉引力波天文臺”（LIGO）的兩臺孿生引力波探測器探測到。
奇怪，怎么會(huì )是“撞擊聲”呢？我們先看一下LIGO公布的GW150914引力波信號，下圖是LIGO利文斯頓(左)和漢福德(右) 探測器所觀(guān)測（預測）到的GW150914引力波的時(shí)域（上）和頻域（下）信號。注意，這個(gè)信號實(shí)際上是引力波引起的激光干涉應變隨時(shí)間和頻率的變化，而并非引力波本身。下圖顯示了GW150914的頻率在0.2秒內從35赫茲迅速增加到150赫茲，時(shí)間相差7毫秒，這個(gè)時(shí)間差與光或者引力波在兩個(gè)探測器之間傳播的時(shí)間一致。
35赫茲到150赫茲，這個(gè)頻段實(shí)際上是人類(lèi)可聽(tīng)到的低頻聲音，所以才會(huì )在激光干涉探測中產(chǎn)生上述類(lèi)似撞擊的聲音出現。LIGO給出了這個(gè)信號片段，您可以加入聲學(xué)在線(xiàn)微信公眾號（soundonline），來(lái)試聽(tīng)一下。但是，用手機喇叭和耳機播放的朋友們就別再?lài)L試了，這個(gè)頻段普通手機喇叭和耳機是很難播放出來(lái)的，需要接到一個(gè)專(zhuān)業(yè)音響系統中才能感受到人類(lèi)首次探測到引力波的喜悅！
上面強調了，這并非引力波本身，也不代表引力波激發(fā)應變的全部。事實(shí)上探測引力波到目前來(lái)說(shuō)學(xué)術(shù)界共有四種方法，LIGO－Virgo的地面數公里激光干涉探測方法僅是其中一種。而這種方法探測的信號也是以引力波的高頻段為主，通常這個(gè)頻段是幾十到幾千赫茲，基本都在人類(lèi)可聽(tīng)的聲音頻段之內。這種方法探測的引力波主要來(lái)源于中子星、恒星級黑洞等致密天體組成的雙星系統。其他三種方法則會(huì )探測到更多來(lái)源的引力波信號，筆者也期待包括中國在內的研究機構，有更多的科研進(jìn)展。
引力波探測的裝置類(lèi)似人類(lèi)的雙耳
引力波有點(diǎn)類(lèi)似聲波（其實(shí)完全不同），其穿透力相當之強，宇宙中幾乎沒(méi)有什么可以阻擋，但這也是它的弱點(diǎn)，其信號又是如此微弱，因此就連愛(ài)因斯特都覺(jué)得幾乎不可能探測到這種信號。為探測引力波，美國國家自然科學(xué)基金會(huì )于上世紀90年代在路易斯安娜州利文斯頓和華盛頓州漢福德各建造了一個(gè)激光干涉引力波天文臺(LIGO)。每個(gè)天文臺都有兩個(gè)長(cháng)達4公里的測量臂，呈L型排列（下圖左為利文斯頓探測站，右為漢福德探測站）?；ㄙM了那么多錢(qián)和時(shí)間，以至于從事這項計劃的很多元老都戲謔應該把自己關(guān)到監獄，可見(jiàn)這些偉大科學(xué)家的責任擔當和可愛(ài)之處。
為什么要用兩個(gè)探測站同時(shí)探測呢？事實(shí)上，一個(gè)探測站利用兩個(gè)超長(cháng)的垂直激光臂就能探測到引力波引起的應變，但是這無(wú)法測定引力波的來(lái)源方向。這點(diǎn)和人類(lèi)的雙耳模型有點(diǎn)類(lèi)似，人類(lèi)一只耳朵就能聽(tīng)到聲音，但是如果堵住一只耳朵，人類(lèi)就無(wú)法分辨聲音的來(lái)源。人類(lèi)利用雙耳定位的能力非常重要，如果一只耳朵出現聽(tīng)力下降，這可能會(huì )影響到人類(lèi)的平衡能力，甚至經(jīng)常產(chǎn)生惡心眩暈的現象。因此，只靠一個(gè)引力波探測器還無(wú)法確定本次發(fā)現的引力波事件及其方位。LIGO的兩個(gè)激光干涉引力波天文臺類(lèi)似于人類(lèi)雙耳模型，通過(guò)引力波信號到達不同探測器的時(shí)間差和其信號的強弱，來(lái)確定引力波信號的空間位置。這種方法在聲學(xué)上通常定義為ITD（雙耳時(shí)間差）和ILD（雙耳聲級差），也是人類(lèi)獲取聲音方位信息的主要參考。
這樣看來(lái)，LIGO花費巨資建設的兩個(gè)激光干涉引力波天文臺，就像安裝在地球上的兩只巨大“耳朵”，一直試圖傾聽(tīng)者宇宙最深處的“聲音”。只不過(guò)這次LIGO真的非常幸運，剛剛升級完畢就聽(tīng)到了這次足以讓全世界物理學(xué)家興奮的“聲音”。盡管這次實(shí)驗仍然需要很長(cháng)時(shí)間再次驗證，而且諾貝兒獎也需要等待驗證的結果。但不管怎樣，這兩只“耳朵”已經(jīng)開(kāi)啟了人類(lèi)探測宇宙新的篇章。LIGO的雄心顯然不滿(mǎn)足于這次重大發(fā)現，其全球布局的“耳朵”還正在建設。一旦這個(gè)“耳朵”大陣列運轉起來(lái)，人類(lèi)對于宇宙的探測將從此邁入新的高度。略感到可惜是，國內僅有清華大學(xué)參與了LIGO在計算方面的工作，而我們國家引力波計劃的天琴衛星還正在籌劃發(fā)射之中。
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