明天，举世瞩目的引力波新闻发布，有意外剧透…

海归学者发起的公益学术平台

分享信息，整合资源

交流学术，偶尔风月

100年前，爱因斯坦理论预言引力波存在。明天，美东时间2016年2月11日上午10:30，北京时间晚上11:30，加州理工学院、麻省理工学院、LIGO科学联盟、以及美国国家科学基金会，将发布寻找引力波的最新进展。

激光干涉引力波天文台 (LIGO) 探测到引力波的谣言，已经流传了一阵子！百年物理谜底，是否即将揭晓？全世界都在翘首以待这一历史性时刻，不但Nature和Science都忍不住放下身段，在文章出来之前纷纷八卦，物理学家更是集体高潮，就连大众媒体如CNN和BBC等，都迫不及待地发布引力波新闻发布会的新闻。

这个工作真的如谣言所说，发表在Nature么？今天，Nature网站一如既往地更新本周最新论文，上面没有引力波探测！这是怎么回事？

引力波到底是什么东西？ 爱因斯坦认为不可能观测到的，LIGO有能力突破么？请听知社学术圈为您深度解析。

明日新闻发布会后，知社学术圈将第一时间独家发布加州理工引力波权威专家内幕评述，敬请关注、期待。

先送大家一张请柬，来自加州理工大学校长, 著名物理学家Thomas Rosenbaum教授，邀请您出席明天新闻发布会，北京时间晚上11：30分：

全世界等待这一天，已经100年。上周，Science甚至迫不及待地贴出小道消息，言之凿凿地说，引力波文章，将发表在2月11日的Nature：

可是问题来了，Nature杂志每周文章的更新，都是在美国时间周三，也就是10号。那新闻发布会怎么可能安排在周四呢？事实上，今天Nature本周最新论文已经在其网站更新，上面没有引力波探测论文！有的只是关于引力波的八卦！因此几乎可以确认，这篇历史性论文不会发表在Nature上。

难道是每周四更新的Science在这场争夺中胜出？亦或是这帮物理学家们，更看重其他的学术期刊？ 让我们先放下这些谜团，走进LIGO，为明天的新闻发布会，先做一些功课。

一月份的南路易斯安那细雨绵绵，这多亏了墨西哥湾吹来的湿气。就地理位置来说，这里偏僻得不能再偏僻了，但从人类在浩瀚宇宙中寻觅引力波这个层面来讲，这片森林绝对是物理界的中心。一百年前爱因斯坦提出的理论，如今在这块土地上获得证实。曾经杳无人迹的无名之地，现在变成了科学界的原爆点。

根据广义相对论，巨大质量能够令时空卷曲，这就像我们站在蹦床上时引起床垫变形一样。当高密度、大质量的物体在宇宙里加速——比如黑洞或者中子星——它们会在时空的垫子上泛起涟漪。这些波纹携带着大质量物体的引力辐射，在广阔的宇宙中传播。路易斯安那天文台的存在就是为了捕捉这种微弱的波动。

天文台有一座教育中心，每周会接待几波来自附近地区的学生参观学习。路易斯安那州立大学物理教授Giaime是这里的负责人，“我最常被问到的问题就是：为什么我们要寻找引力波？”这是个好问题，而最直接的答案是，它将帮助我们验证1916年爱因斯坦提出的广义相对论，这意味着时空是可以扭曲的。

当然，这个问题说来话长。在宇宙里，能够产生引力波的物体一定是那些最具能量，最狂野，也最有趣的地方。找到它们将为人类打开前所未有的宇宙级视野。引力波可以为我们展示引力的最强状态，比如黑洞；引力波能够让我们看到物质密度最大时的样子，比如中子星；它还能揭示出星系大爆炸的新信息，比如超新星爆发，黑洞和中子星的融合。Giaime说道，“恐怕我们只有通过引力波才能去了解这些东西。”

简而言之，引力波是我们揭开宇宙奥秘的钥匙。

从含糊传言到确凿消息

一个月前，知名理论物理学家Lawrence Krauss在推特上发了一条震惊物理界的消息：“我之前关于LIGO的传言已得到独立消息的证实。时刻关注吧！引力波看来是已经发现了，兴奋！”这条推文被转发了3400次。

Lawrence Krauss

看来这次是挺靠谱的。过去15年里，LIGO的高级研究员们曾两次将假信号植入数据作准确性测试。如此耗时的操作只是为了预演数据分析方法，以保证真有引力波信号出现的时候，研究团队可以准确识别。上一次测试是在2010年，而这次出现的神奇信号发现于2015年9月，Krauss表示这两者没有关联。

他曾就此事问过Giaime，然而得到的答复简直含糊其辞地完美至极。不过这也很正常，用Krauss的话说：“要知道我们都很保守。我们分析数据，如果发现了有趣的东西，就会发在论文上。只有当这些发现通过了同行评议并被期刊接收后，我们才开始拿它吹牛。在这之前，别想从我这套出任何话。”

对于Giaime来说，谨慎是可以理解的。数百位物理学家已经在这条路上研究了好长时间。Giaime本人已经在引力波研究上投入了30年，这基本是他整个职业生涯。

Joseph Giaime

早在1972年，麻省理工学院物理学家Rainer Weiss (他正是Giaime的导师) 曾提出如何开展像LIGO这样的引力波探索。随后的十多年里，麻省理工和加州理工的物理学家们根据这早期研究进一步开发完善。1989年，这两所顶级的工程大学双剑合璧，向国家科学基金会 (NSF) 提出合作项目申请。

国家科学基金会自1979年以来就一直支持着双方的工作，对这一联合项目更是给予大力支持，拨出10亿多美元支持项目的研究、建设、运行。两所天文台就此建成，分别位于路易斯安那州的Livingston和华盛顿州的Hanford。

NSF物理部项目总监Marronetti表示：“爱因斯坦曾在100年前预测了引力波的存在，但近40年来，是数百名科学家和工程师的不懈努力，以及国家科学基金会的决心和远见，才有了LIGO的今天。”

几天前， Science发布的新闻中贴出了加拿大麦克马斯特大学理论物理学家Clifford Burgess的一封邮件，尽管未经官方证实，但信中已表明LIGO的两个探测器探测结果一致，引力波传播速度为光速，来自于两个黑洞的融合！这次探测信号强度很高，达到5.1西格玛（物理学家通常将超过5西格玛信号定义为比较确定的发现），黑洞质量分别为36和29个太阳质量，合并后为62个太阳质量。他们甚至探测到了并合以后的振铃 (ring-down) 信号，它最终变成了一个克尔黑洞 (Kerr)。

明天，随着新闻发布会的召开，关于引力波的传言或许终将获得确凿证实，亦或是证伪？

巨型干涉仪

就探测器来说，总是有可能无法找到引力波的。1887年，阿尔伯特·迈克耳孙和爱德华·莫雷曾设计了一个精巧的实验来探测以太。理论上讲，电磁力和引力可以通过这种介质进行传播。他们所制造的正是一个干涉仪。

在干涉仪中，光束通过特制的镜片分成两路。一束光继续直行，另一束则以90度反射。两束光通过相等的距离各自抵达预置镜片，并重新反射回中间的光束分离装置。在这个经典实验中，如果两束光线经由相同的光程并同时返回，它们将相互抵消。但如果一条光束前进更快，返回更早，那么两条光束将产生干涉条纹。

迈克耳孙和莫雷的实验当然没有找到以太，这已成为史上最著名的失败实验之一。不过，这为爱因斯坦的相对论奠定了基础，后来的物理学家把他们的干涉仪应用到了各类实验之中。

Livingston的天文台可以说是一个巨型的迈克耳孙干涉仪。两条“胳膊”各有4公里长，在南路易斯安那的松林中开辟出一个巨大的“L”区域。尽管拥有长达迈克耳孙干涉仪360倍的巨型臂膀，对于探测引力波来说还是太短了。

按照爱因斯坦的相对论，物理学家希望接收到的引力波是在一个方向将空间拉伸，在另一个方向上将空间压缩的。因此干涉仪的长臂主要是用来测量长度上的微弱区别。也就是说，当引力波出现的时候，光线在两条真空管中返回探测器时会形成干涉条纹。如果没有引力波，两条光束将完全抵消。

但是这个距离上的差别实在是微乎其微。这将好比拿着一根10²¹米长的棍子，要测一测它有没有5毫米的收缩。实际上，物理学家们需要测量的距离比一个质子还要小1万倍。

要达到这个级别的精度，LIGO采用了“法布里－珀罗谐振腔”设备，将额外镜片放在分离器附近以使激光在真空管中反射400次。这样，激光在管道中所通过的距离被扩大到1600公里。

消声的巨兽

天文台的实验室中放着各种仪器设备，Giaime说：“这里几乎所有的设备上，都没有商标。因为这些都是我们自己制造的，或者按照我们制定的规格制造。这样其实不好，做这些东西花费了我们大量精力。”

设计并制造这样极高精度的仪器只是LIGO科学家们所面对挑战的一半。另一半是和外界干扰因素的斗争。比如，附近公路上轰隆隆开过卡车会有影响，几十公里外海浪拍打路易斯安那海岸会有影响，甚至一两千公里外的地震活动都会带来影响。

Giaime介绍，如果他们把光学设备和束射管建在地里面，那么周围走动的人、吹过的风、暴风雨……方方面面的干扰因素将是系统标准噪音的1000万倍。

地震隔离系统 (部分)

天文台内部有一套减震系统。实验室的地震隔离传感器首先在所有频率上探测天文台附近的环境震动，然后通过计算机系统进行相应的减震处理。在主控室中，激光发射并被分离成两束，送至两条真空管中。这些敏感的光学仪器被安置在1米高的加固混凝土石板上。主动与被动减震系统联合运行的时候就像消声耳机，只不过具有更高的自由度。

选择路易斯安那与华盛顿州这两个相距甚远的地点建立天文台，原因在于如果两边同时观测到同样的引力波信号，那么物理学家们知道这并不是周边区域的环境震动影响。

升级改造再出发

LIGO设备从2002年开始记录数据，不过起初都是测试运行来为设备热身。Giaime说，路易斯安那天文台的设备在2005年秋季达到 “设计灵敏度” ，当时正好是卡特里娜飓风肆虐新奥尔良 (距天文台112公里) 过后，附近连旅馆都订不到，很多访问学者只能睡在拖车里。

第一阶段的运行一直持续到2010年，然而物理学家们并没有发现任何有趣的东西。实际上，他们也没有指望发现什么。后来，国家科学基金会再次拨款2亿美元对天文台进行升级。这次改造几乎涉及了LIGO的方方面面，激光发射源、核心光学设备、地震隔离系统......全部升级。

激光在这里被分成两束

在大量的假设基础上，物理学家们根据原始设备推算出，他们能够观测到来自15个百万秒差距之外的引力波，这个距离相当于5000万光年。如果和距银河系最近的主要星系仙女座星系 (250万光年外) 对比，这已经挺远了。但就整个可观测的宇宙范围来讲 (约930亿光年)，原来的LIGO探测器确实有很大局限。这次升级之后，LIGO的观测范围达到2.3亿光年，优化之后性能会更好。

这次应该够了，Giaime表示，在升级以前，物理界都认为升级版的探测器应该满足常规的引力波观测。“大部分人至今都同意这一点”。

升级后LIGO从2015年8月开始正式运行。在今年1月它就已经做出了结论。如果观测中确实发现关键的结果，如果传言是真实的，那么相信相关论文将很快发表出来。

如果不是的话，那么要再等几年让探测器积累数据吗？“我从1986年开始就一直在研究引力波，”Giaime说，“如果这次还是没有发现什么，那我们很多人都会很失望的。”

中子星

早在1993年，天体物理学家Russell Hulse和Joseph Taylor因发现脉冲双星而获得诺贝尔物理学奖。作为超新星爆发的遗迹，脉冲星也被称为中子星。它们直径只有20公里左右，但质量却超过太阳，令人难以置信。所以中子星是被压缩的，密度极高的天体。

Hulse和Taylor所发现的双星围绕彼此以椭圆形轨道运行。当它们相互靠近的时候，理论上讲可以产生强烈的引力辐射。天体物理学家们几年来通过监测其中一颗所发出的无线电波，发现了令人振奋的现象：双星的轨道周期不断衰减，这准确应验了广义相对论的预测。也就是说，双星一定是在产生着引力波。不过，这与直接观测到还是两回事，只能算是间接证据。

NASA钱德拉X射线天文台观测到的脉冲双星光圈

最理想的是，当物理学家在地球上观测到引力波的时候，天文学家也能够在宇宙中找到制造引力波的灾难性事件。倘若如此，LIGO天文台记录数据的同时，需要做出快速而详尽的分析报告，以便把寻找宇宙奥秘的接力棒交给天文学观测者。然而，仅靠LIGO两个天文台恐怕还无法满足这个要求。

好在，目前意大利正在对一个巨型干涉仪进行升级，它将具备与LIGO升级版相近的性能。对天文学家来说这无疑是个好消息，因为这将与LIGO协同实现三角测量。同时，日本也在建造一个探测器。另外，美国已经为另一个探测器制造了光学系统，他们希望把它放到印度或者南半球，比如澳大利亚。这些进展将大大帮助人们进行引力波的探测。

结语

引力波如果真的被探测到，不仅将再一次证实爱因斯坦的伟大，也为人类进一步了解宇宙提供了一个强有力的工具。与光不同，引力波在宇宙中不会因星际尘埃的影响而削弱。通过探测，天体物理学家们将不仅可以窥探宇宙中那些最具能量的区域，还能够极大扩展探索的边际。

人类所测量到的极小距离，却能够帮助我们探索最广阔的空间。世界就是这样奇妙。

参考文献

Science, Nature, Arstechnica

明日新闻发布会后，一切都会揭晓。知社学术圈将第一时间独家发布加州理工引力波权威专家内幕评述，敬请关注、期待。扫描以下二维码，可以关注。

点击以下链接，阅读物理学热文

爱因斯坦：天才的大脑和不朽的灵魂

物理学的终结？看宇宙中最危险的两个量

真的是速度极限? 看看这些超光速现象: 大爆炸, 量子纠缠和虫洞。。。

薛定谔猫不再遥远，传送记忆成为可能！

物理世界十大突破: 中科大量子通讯夺魁，物理所外尔费米子探花