“诺奖得主雷纳·韦斯:中国应研制第三代引力波探测器”

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文|张潇潇

年9月14日，星期一早上，雷纳？ 韦斯像往常一样查了ligo列文斯顿的实验数据，突然，他观察到了从未见过的奇怪波形，他很快就查了ligo在汉福德的另一个探测器的实验数据。 当相似的奇怪波形突然出现在雷纳眼前时，他不由得说:“啊，有人在闹！ 喊道:“。

经过约5个月的研究，激光干涉引力波天文台( ligo )合作小组于年2月11日宣布，这种奇异波形不是“有人在骚动”，而是爱因斯坦于年9月14日检测到的，这就是广义相对论。 13亿年前，质量为36太阳质量的黑洞和29太阳质量的黑洞相撞，合成为62太阳质量的黑洞，丢失的3太阳质量被转换为引力波的能量。

在爱因斯坦提出相对论正好一百年之后，人类终于第一次听到了13亿年前从宇宙深处传来的“鸟鸣”。

尽管雷纳生动地描述了发现引力波的瞬间，普通人还是不太感受雷纳当时的心情。 要知道，100年前爱因斯坦提出广义相对论后，许多科学家试图探测引力波，几代人都在继续研究，没有突破。 在这之前的22年里，雷纳和数千名天文学家从事的ligo项目中没有任何发现。

年12月26日，年1月4日，年8月14日，ligo三次检测到黑洞并合成引力波。

年8月17日，对第四次引力波的探测感到兴奋的雷纳在一周内获得了更大的惊喜。 ligo检测到了约1亿3千万年前两颗中子星碰撞引起的引力波！ 更幸运的是，这次引力波正好位于意大利virgo探测器的盲点区域，大大缩小了引力波源定位的范围。 科学家们很快将波源固定在31平方度的空区。 一小时、光学、红外、紫外、高能、无线电波、世界70多个天文望远镜对准长蛇座ngc4993星系。

上次的引力波是黑洞合并产生的，无法直接观测，但ligo第五次探测到的两颗中子星碰撞，炽烈而耀眼的火了起来。

天体物理学家张双南说:“人类不仅看到了天体结合发出的美妙歌声，还看到了相爱的烟花！ ”。

从此，在浩渊的宇宙面前，“人类终于变得耳朵聪明了”。

这个引力波和电磁波一起看到的大宇宙烟火，意味着人类进入了信使天文学的时代。

从1985年开始，半数以上获得诺贝尔物理学奖的研究成果来自20多年前。 今年的物理学奖授予了两年前首次检测到引力波的科学家、ligo的创始人、领队雷纳·韦斯、基普·索恩和巴里·巴里·巴里什。 关于此次紧急颁奖，学术界普遍认为众望所归，引力波也毫无争议地排在科学年十大发现的首位。

在瑞典获得诺奖后，怀抱新奖牌，三位科学家第一站来到中国，在上海获得复旦-中植科学奖后，雷纳·韦斯和基普·索恩来到北京师范大学，接受本技术等媒体的采访，在未来论坛进行长达两个小时的演讲 其中，雷纳？ 韦斯是引力波的概念，探测器的设计和引力波的最新发现，基普？ 索恩详细叙述了几代人探索引力波的过程，以及引力波未来的各种可能性。

引力波的概念抽象而深刻，但两位教授的演讲并不难，没有物理基础的观众也饶有兴趣地聆听，对人类历史上里程碑式的发现感到兴奋。 我想这是因为两位教授在耀翁之年，对科学抱有无限的好奇心。 雷纳在随后的对话中说，他们很喜欢给孩子上科普课，“只要你不花大词，给孩子们讲彩虹是怎么形成的，他们就会特别兴奋。” 人们数百年仰望星星空，孜孜不倦地探索，最终与引力波相遇，大概是这种孩子从原初就有的好奇本能。

本技术根据现场录音听翻译，整理了两位诺贝尔奖获得者的演讲。 分成两个推送，之后发售kip吗？ 索恩的演讲文案和本技术是与两位诺贝尔奖获得者的对话，敬请关注。

以下是雷纳·维斯的演说全文，略经:

谢谢你。 我很高兴来到这里。 我们想把演讲分成两个部分，说明引力波的概念，我们是如何检测引力波的，以及我们在引力波方面的最新发现。 kip讲理论，探讨引力波未来的可能性。

首先我想谈谈爱因斯坦对重力的贡献，特别是与牛顿理论的不同。

牛顿的万有引力可能是在高中学到的。 根据万有引力定律，任何物体之间都有相互吸引力，该力的大小与各物体的质量成正比，与它们之间距离的平方成反比。

这个定律在物理学史上很重要，被爱因斯坦非常感兴趣，非常复杂的想法所代替。 爱因斯坦使这个想法越来越接近我们现在探索的部分。

牛顿理论有那些问题吗？ 在爱因斯坦看来，错的是两点。 第一，在高速运动的大质量物体之间，万有引力存在问题，在牛顿的理论中，如有名的水星运动的问题等，存在一点误差。

另外，牛顿的万有引力定律中，没有考虑引力的传递速度，但牛顿认为引力会立即作用，没有时间差。 在1905年狭义相对论中，爱因斯坦说过，重力的传递速度不能超过光速。 当然，这里不解释这个方程式。 因为这不是我今天谈论的第一个文案。 但是，我们可以向大家大致说明一下。 这张图有助于理解这个理论。

这里有一个可以被认为是孩子登山架的网络。 每个格子都是正方形的。 中间，在太阳出现的位置，正方形的格子弯曲，网格中的一点直线变成曲线，空之间扭曲。 旁边有地球，地球带来的空之间的扭曲比较小。 如果在所有这些线中放一个表，你会发现，在远处，用没有发生扭曲的正常方格的表记录的时间是一样的，但放在扭曲空之间的表会出现更快的现象。

爱因斯坦的理论代替了重力，有两个方面。

第一，重力不再是力，质量会使重力产生空之间的扭曲，从而导致时间的扭曲。 并且，根据爱因斯坦的理论，这种时空的扭曲代替了所谓的重力，引起了产生重力的物体的运动。 空会告诉你物质是如何运动的，但如果物质被引诱，空会怎么弯曲？ 这就是我希望你理解爱因斯坦理论的方法，kip也许有更好的解释方法。

我想用爱因斯坦的理论简单地说明一下引力波是什么。 引力波的来源是因为有加速运动的物体。 爱因斯坦预测，这些物体之间有光速传播的波，也就是引力波。 现在我们知道物体之间确实有这样的波浪，而且是传输波。

在二维图像中，可以看到许多波浪和物体。 这些波传到你身上，或者传到画面深处。 一直看这张图可能会有点头晕，但是站在图的中间，也就是红框里，空之间会在一个维度上被拉伸，在另一个维度上也能感受到相应的压缩。

你会注意到另一个事件。 这可能需要越来越多的分解。 也就是说，站在这里的时候，你会发现离你最近的这两点，它们的移动范围不大，反而离我们越远的点移动范围越大。 这张图显示了引力波是如何改变物体之间的距离的。 物体运动的大小与本来物体之间的距离成正比。 虽然各点分别存在，但整体上随着空的扭曲而变化。 换言之，将物体在任一方向上的位移距离除以物体间的距离，得到称为“应变”的常数。 稍后再详细说明。

如何用最简单的方法检测引力波是否存在呢？我给大家展示一个模拟引力波的可视化模型。 ligo会这样做的。 首先模拟引力波。

这里有动态图。 想象引力波从左下方进入，左侧有激光发射器。 这是激光，但不太像。 中间有分割光的分光器。 如果这个激光照射到分光器上，它就会被分割。 一部分分为左手镜子，一部分去右上镜子，激光反射后合并到探测器上进行测量。 两边的光传播的时间是一样的。 请想想镜子。 也就是说，正方形的红点表示二维空之间的等距离。

在动态图中，红色的部分是激光，光中的曲线是光的电场，理想情况下，激光会被两侧反射镜反射回来，但是由于被该分光器遮挡，所以光不会进入检测器。 引力波是怎么产生的呢？ 空之间扭曲，因此靠近一面镜子，远离另一面镜子，结果探测器检测到了激光。 无论扭曲如何通过这个路径，镜子的距离都不相等。 只要距离不相等，探测器就能检测激光。 这就是引力波探测器最原始的原理。

这个想法很简单，但是之后kip跳出来说:“嘿，事件没有你想象的那么简单。 因为，第一，是我们说的歪。 kip thorne有非常多的工作，和同事们一起找到了非常多的证据。 研究人员发现，要测量引力波，形变必须在至少10的负21次方以下。 这是一个非常小的数值。

如果你达到这样高精度的测量水平，能够测量这个应变，我会尝试测量4公里长的引力波。 这也是最终建造的引力波探测器的长度。 最后，我们得到这样的位移数值。 ——是——4×10的负18次方的长度。 也就是说，必须测量一个东西。 它经过4公里只移动一个核直径的千分之一的距离。 会比纳米小很多。 这个非常有。 这个挑战来自两个方面，一方面测量镜子位置的变化，这个变化只是光波长的10的负12次方。 另一方面，镜子本身必须避免因非重力波的原因而摇晃。 这是测量中更困难的部分。 所以我们在探测上花了这么长时间。

关于第一个问题，我们消费了很多年，研究新设备，有非常多的人为这样的设备做出了贡献。

在这里可以看到这样的检测器。 我们的ligo探测器也是基于这样的原理制作的。 我们这里有激光。 这是分光器。 分光器刚才也展示了我们。 左边有镜子。 另外，后面的部分有镜子。 分光器把光分成两部分，在两侧的镜子和分光器的中间加了镜子。 光不是这样只反射一次，而是反射一次。

如果探测器没有检测到光，我们也许可以说明这道光到了两块镜子里。 其路径沿原路返回，反射后返回分光器，返回激光发射器。 但是，我几个同事想到的新聪明方法是，在激光发射器和分光器之间添加镜子后，这些返回的光再次被这个镜子反射，返回分光器，从而再次与激光发射器发出的激光发生干涉，起到抵消的作用。 我们的目的是使激光发射机的所有光在这个空之间不断反射，反射500次、500次以上，几乎200次，大幅提高引力波探测器的灵敏度。

这只是处理了第一个问题，另一个更难的问题是怎么处理的？ 我们这里有两个镜子，把它们做成钟摆的形状。 如果我快速地小幅度摆动这个钟摆，下面挂着的镜子应该不会动。 这两面漂亮的镜子是用来反射激光的。

这不是一次，而是四次。 在下图中，一共可以看到四个钟摆。 使用这个钟摆装置，我们可以将镜子与地面的振动隔离。 这只是我们处理方案的一部分。 这个摆装置放置在很多复杂的大型装置中，左侧是大型装置整体的组装图。

这个完美的装置是什么呢？ 测量我们地面的运动，测量地面的运动，这个装置就会重置平台，抵消来自地面的运动。 有时戴上降噪耳机，有时甚至取消降噪耳机发出的声波，就像我们在飞机上一样。 这个装置也是同样的原理。

现在我们终于聊到了ligo。 ligo是华盛顿和路易斯安那两大引力波探测器。 还有意大利的virgo和德国的geo600探测器。 他们都是探测器，引力波探测器形成了互联网。

差不多一年半前，9月份ligo观测到的波形，波浪曲线一开始什么都没有，突然变得非常陡峭。 下图左右分别是在华盛顿和路易斯安那观测到的波，两地之间有8毫秒光速距离，有大量证据表明引力波是光速传播的。

上面第二行的图表理论上是引力波的波形。 可以看出，第一行理论上的波形和实际波形的对应关系，该理论上的图画得很好，非常正确。 最下面是两个黑洞相互环绕产生的引力波。 纵轴是频率，横轴是时间，可以看出频率随着时间的经过而变化。 你会发现他们的间隔越来越短，曲线的间隔越来越短。 同样，左右图很相似。

这是两个30太阳质量左右的黑洞不断相互运动产生的引力波，可以看到两侧形变的变化。 这是我们最初观测到的。 产生引力波，消耗三个太阳质量的能量。 这是非常大的能源消耗。 我们认为这是第一次观测到的引力波。 后来，在探测器的日常工作中，我们又观测到了第二引力波。 这是两个质量比较轻的天体，信号比第一个弱一点。 然后第三个分别在不同的观测点进行了观测。 这一天空的图显示了引力波方位的大致范围。 因为只有两台探测器，所以只能画出香蕉形状的大致范围。 这个香蕉形的区域只有1000平方度。 前两个引力波我们无法评估其具体方位。 这是只有两个探测器引起的问题。

而且最近，今年8月，我们第三次检测到了引力波。 除了利文斯顿和汉福德，欧洲的virgo也检测到引力波了吗？ virgo的检测缩小了引力波的存在范围。 将来有越来越多的探测器，就可以得到引力波新闻的来源。

在那之后，我们发现了最令人兴奋的现象。 当然，我检测到了以前很兴奋，但是这次的观测很高兴。 幸运的是，在同一个月关闭探测器之前，我注意到了另一种现象。 这次观测到的不是黑洞，在这里，是关于时间、频率等的新闻，所以可以看出合并了频谱，合并了华盛顿和路易斯安那观测到的频谱。 但是，virgo没有进行观测，这非常重要，稍后将解释virgo没有进行观测的原因。 这次引力波的持续时间非常长，还观测到了伽马射线。

考虑到virgo没有对其进行观测，在virgo和ligo锁定的区域进一步缩小了范围，提高了观测精度。 把银河系中的ngc4493星系锁定在了位置上。 然后用光学望远镜等仪器辅助，帮助我们确认这样的位置，看到了非常壮观的景象。

我们看到的是两颗中子星相撞的景象。 天文学家以前就研究过两颗中子星碰撞会发生什么，但他们预测会产生这颗拥有非常优势的光的新星，千新星( kilonova )，而不是超新星( supernova )。 那道光很亮，一开始是蓝色的，但很快就会变红，然后变成红外。 这张图显示了两颗中子星碰撞，由于他们的碰撞可能会产生黑洞。 然后产生伽马射线，可以用望远镜观测。 之后，通过各种类型的天文设备，我知道了中子星的新闻在不断增加。 他们在碰撞和爆炸时产生了巨大的能量。

引力波的成功探测处理了两个问题。 第一，引力波的发现对全世界来说都是非常了不起的。 因为检测到了引力波，所有的天文学家都开始参与这项研究。 伽马射线是否由中子星碰撞产生尚不清楚，但目前的观测表明了这一点。 另外还发现，( kilonova )可能是一些重元素发生的地方。 众所周知，氦、氢、氮等现存的这些元素大多是最初宇宙中的大爆炸，有些是超新星产生的重元素。 但是，这中间的因素来自哪里呢？ 现在有很大的空白色。 想知道金、箔、铀等金属是从哪里来的吗？ 这个问题人类思考了很久，没有得到非常满意的答案，但现在也许得到了很好的答案，也许是中子星碰撞产生的重元素。

这意味着引力波天文学的诞生，可以宣告我们进入了信使天文学的时代。 这是人类历史上非常大的进步。 我人生中第一次看到天文学家对引力波这个词持乐观态度。

但是我也知道现在日本有kagra这样的设备和ligo印度这样的两个设备。 这也是将来我们可以进行重要研究的一个设备。 越来越多的探测设备能更准确地定位引力波的源位置，更好地改善设备的灵敏度和信噪比。

ligo印度的加入对天文学家来说很重要。 上图中，前三个是美国的ligo和欧洲的virgo检测到引力波时画的蓝色“香蕉”，据推测，这是引力波位置的大致范围。 印度进入时，你会发现“香蕉”消失了。 如果有4台探测器，预计引力波位置的测量精度将大幅提高。

未来引力波研究的快速发展还有另一个方向。 是进一步改善检查设备的灵敏度。 我知道中国也在进行这些研究。 然后，我和中国的一个朋友讨论过。 当然，快速发展一定是循序渐进的过程。

上图的曲线中，第一条曲线是关于频率的，在10的二次和三次赫兹之间，左侧可以看到应力的光谱密度。 我们可以在这里看到有virgo探测。 噪音在这里。 这是我们将来应该发现的地方。 这也是我们最初设计ligo的初衷，是绿色的这条线。 这里是未来更先进的virgo设计，在中部可能比较近，所以在virgo上也做出了很多贡献。 我们现在想的是如何能进一步改善设备。

另一个装置是voyager，在voyager和爱因斯坦望远镜的概念之间，我也有想向大家提出的事情。 如果被问到中国应该在哪些方面进行干预，产生一定的影响，我认为可以开发这个地方，也就是第三代的监视器，探测器。 这可能是4公里的系统。 我觉得这也和我们现在的状态很接近。 欧洲的想法是，地下有三角形检测的设计，灵敏度可能会变好。 另外，这还可以看出现有探测器的手臂长度也约为4公里。 希望将来这些行业的技术进步能够尽快应用于天文学行业，引力波的前景非常光明。

感谢

来源：安莎通讯社