引力波的發(fā)現(xiàn)竟能推測宇宙的產(chǎn)生

文／Kip Thorne

8月10-12日，世界科技創(chuàng)新論壇在北京會議中心舉辦，2017年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者、加州理工學(xué)院理論物理學(xué)教授Kip Thorne出席并演講。

以下是演講全文：

13億年前在一個(gè)遙遠(yuǎn)的星系，兩個(gè)黑洞圍繞著旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了引力波，在它們一起旋轉(zhuǎn)過程中突然之間出現(xiàn)了碰撞，然后它們會就出現(xiàn)了引力波的大爆發(fā)。那么這個(gè)引力波爆就在整個(gè)的星系和宇宙中穿行。在我們所有的這個(gè)銀河系已經(jīng)穿越所來自的銀河系，進(jìn)入到廣大的宇宙，距我們13億光年。也就是光穿梭了13億光年之后一直到5300年前，當(dāng)我們的祖先和類人猿一起出現(xiàn)在星球上的時(shí)候，這些引力波就進(jìn)入到我們的銀河系，2015年9月14日到達(dá)地球，先是在一個(gè)半島登錄，在地球上所有的物質(zhì)都不會影響到引力波，被我們LIGO測到。他們通過信號的測試，7分鐘之后到達(dá)了華盛頓之后的LIGO測試儀。整整5個(gè)月1000名的科學(xué)家和工程師緊密合作，來自歐洲同事的支持分析這些數(shù)據(jù)，確保我們看到的真正的是引力波。

那么，其實(shí)我剛才是這樣描述一個(gè)引力波的發(fā)展，就是我們其實(shí)引力波的監(jiān)測非常復(fù)雜。因?yàn)槲覀円_保不是其他的東西會影響到我們的探測儀，所以我們有10萬條數(shù)據(jù)渠道是去分析在我們的監(jiān)測儀當(dāng)中發(fā)生了什么，以及環(huán)境當(dāng)中發(fā)生了什么，5個(gè)月的分析之后，我們徹底確信監(jiān)測到的就是引力波。2016年2月11日的時(shí)候跟全世界宣布這個(gè)結(jié)果，就是我們發(fā)現(xiàn)了引力波，全球各地紛紛作為頭條報(bào)道，各個(gè)主流媒體都報(bào)道。

我們?nèi)绾螠y試到引力波？這從愛因斯坦開始講，1916年的時(shí)候愛因斯坦就使用了自己當(dāng)時(shí)比較新的這個(gè)非常新的相對論的理論，預(yù)測引力波的存在，并且描述了引力波是什么。然后他說：引力波是什么？它是有一個(gè)對空間的擠和拉。我們可以用這種，你想象一下空間是3D情況下顆粒情況下自由落體形成空間，在一個(gè)方向被拉扯，一個(gè)方向被擠壓。引力波的方向和空間的平面是垂直的，50年來大家覺得說要測試到引力波是不可能的。因?yàn)檫@些引力波是它的這個(gè)發(fā)射源非常弱，我們的技術(shù)不夠。但是1960年發(fā)生了變化，我們發(fā)現(xiàn)引力波的來源非常強(qiáng)，但是我們之前不知道。比如說有種子芯，黑洞的碰撞，技術(shù)發(fā)生了變化，有激光，超級計(jì)算，這樣子的話，我們就可以覺得監(jiān)測引力波。一開始時(shí)候，Wision開始做引力波的措施，我自己也在美國加州理工學(xué)院做測試。

我們描述一下什么是引力波，世界上只有兩種波在宇宙中可以傳導(dǎo)，帶來遠(yuǎn)處的信息。一個(gè)是電磁波，一個(gè)是引力波。電磁波是什么？就是電磁場的震蕩在隨著時(shí)間的變化，在空間中傳播。那么引力波它是我們說時(shí)間、空間這樣一個(gè)本身的波動，那么電磁波它是由什么造成的？是在不斷運(yùn)動的帶電量的粒子形成的，而引力波是巨大質(zhì)量的物體產(chǎn)生，比如說黑洞。電磁波是很容易被吸收，很容易被散射，而引力波是沒有辦法被這個(gè)散射或者是吸收的，即使是在宇宙這個(gè)早期的黑洞碰撞的時(shí)候也不會被吸收。

這兩種波的差距因?yàn)槲覀冏⒁獾竭@種差距，所以很多的引力波是沒有辦法以電磁波的方式監(jiān)測。那么引力波它是這個(gè)空間的振動產(chǎn)生，而不是電場的震蕩產(chǎn)生。這兩種的放射完全不一樣，而當(dāng)時(shí)，但是我們在1970年代的時(shí)候?qū)τ钪娴牧私鈦碜杂陔姶挪ǎΣǖ牡絹砜梢宰屛覀儗τ钪嬗幸粋€(gè)全新的看法。1972年的時(shí)候，Rai Weiss發(fā)明了LIGO的技術(shù)，就是引力波監(jiān)測技術(shù)。他寫了一篇論文，描述了聲音源，也就是LIGO面臨的聲音源，如何消除雜音，計(jì)算了一下你的這個(gè)引力波測試時(shí)候，你可以有多少的這個(gè)敏感度。他說如果把監(jiān)測器的臂長做到幾十公里可以監(jiān)測，引力波概念是什么？東西方向，掛起來，然后南北方向還有兩個(gè)鏡子，當(dāng)有引力波時(shí)候會把一組波拉開，一組波擠壓。那么下一個(gè)引力波來的時(shí)候會把第一組的波擠壓掉拉開。我們可以有這個(gè)激光的分光器來測試，通過激光的干涉效應(yīng)來測試引力波。這一點(diǎn)非常有意思，我們可以用一個(gè)非常簡單的方式解釋一下我們看到的這種波的粒子有多小。

如果說比如鏡子之間分開那么多公里，先從1厘米開始，1厘米除以100是頭發(fā)的直徑，再除上100是光的波長。再除上10萬，就可以獲得原子的直徑，再除上10萬，你就可以獲得一個(gè)原子的核子的直徑，再除上1000，你知道鏡子洞的一個(gè)距離是多少。我非常喜歡這個(gè)比方，我研究他的論文之前我會覺得這個(gè)人太愚蠢太瘋狂了，我們不可能測試這么小的距離。我跟他也討論過，會發(fā)現(xiàn)真的有可能看到這么小規(guī)模的變化，我自己當(dāng)時(shí)決定要開始學(xué)理論物理，盡力去幫助Rai Weiss和他的同事實(shí)現(xiàn)對引力波的監(jiān)測。我當(dāng)時(shí)就相信確實(shí)是可以看到，但是很顯然我們是需要這個(gè)科技的不斷進(jìn)展才能檢測到引力波。

我再來舉個(gè)例子，一個(gè)非常有意思的例子，也是我自己的學(xué)生，我的博士后的學(xué)生在20、30年的時(shí)間里面做出來的一個(gè)研究。是什么？根據(jù)量子力學(xué)，世界上所有的一切都是在振動的，至少是以一種非常小規(guī)模在振動，包括電子，原子中的電子，電子不斷振動和遷移，你沒有辦法說這個(gè)時(shí)刻在哪里，只能說可能在哪里。同樣40公斤的鏡子，就是鏡子中的質(zhì)量點(diǎn)，質(zhì)量點(diǎn)也是不停的振動，振動的量其實(shí)是比我們預(yù)計(jì)能測到信號強(qiáng)度還要大，但是兩到三年后。有史以來第一次在LIGO在未來兩年可以看到以人的規(guī)模大小的物質(zhì)產(chǎn)生量子力學(xué)這種運(yùn)動。經(jīng)典不能藏量子信號，用的是一種無損技術(shù)，通過鏡子的振動觀測到引力波，而不會損失到量子信號，和量子拓?fù)鋵W(xué)、通信學(xué)、計(jì)算學(xué)有緊密相關(guān)的聯(lián)系。我們想出一個(gè)設(shè)備，我的學(xué)生是一個(gè)前沿，我們其實(shí)操控振動的一個(gè)可能性的分布。我們是作出了這些鏡子的量子振動的概率分布。我們看到光的分布，避免鏡子的本身振動使得沒有辦法抓住引力波的量子信號，這是一個(gè)非常了不起的技術(shù)。而且今年，我們的這個(gè)LIGO第一步這方面的突破已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。

LIGO本身是從1972年開始建立的，已經(jīng)有43年想去追蹤引力波。從1975年-1994年我們做一些研究。然后1972年-1994年做技術(shù)的開發(fā)。BarryBarish是一個(gè)LIGO的主任，是一個(gè)高效的領(lǐng)導(dǎo)人，1995年之后成為我們LIGO的主任，他推動了很多的合作。因?yàn)楹献鲗@個(gè)解決復(fù)雜的問題非常重要。其中涉及到1000多個(gè)科學(xué)家，80多個(gè)機(jī)構(gòu)和16個(gè)國家，包括中國。涉及到兩代的引力波的監(jiān)測儀。我們就是一個(gè)初級的監(jiān)測儀和現(xiàn)代的先進(jìn)的監(jiān)測儀。2015年9月14日第二代監(jiān)測儀開始第一個(gè)引力波搜索，信號進(jìn)來了。我剛才也講了。

我們可以來比較一下這個(gè)信號的波的特性。這個(gè)是灰色的部分是我們消除了噪音之后的波，大家可以看到，它是一個(gè)時(shí)間，隨著時(shí)間變化，這個(gè)鏡子一方面是拉一方面是擠，這是縱軸顯示的。我們把波形和計(jì)算機(jī)的比較之后會發(fā)現(xiàn)，這個(gè)是剛才我也講到的是13億光年前的這個(gè)，它是有兩個(gè)黑洞撞擊形成，一個(gè)是太陽質(zhì)量的2900億倍，一個(gè)是3600億倍，碰撞合并，最后是太陽質(zhì)量的6500萬倍，這樣13億光年前的事件變成了引力波。有三個(gè)太陽，兩個(gè)太陽合并之后變成新的一個(gè)太陽，發(fā)出引力波。在1/10秒的過程中，動量能量是把我們相當(dāng)于什么？就是我們的宇宙當(dāng)中的所有的星系的加在一起的50倍，但是只有1/10秒時(shí)間，非常了不起。

什么產(chǎn)生了動量？要了解黑洞，是由空間的彎曲造成的，可以想像是一個(gè)黑洞的軸面，是一個(gè)二維的平面，放在一個(gè)3D的空間中，看一下表面在3D空間中的形狀，也就是從一個(gè)高維度的角度看2維的物件，現(xiàn)在有兩個(gè)軌道，這個(gè)藍(lán)色顯示在黑色周圍變慢。黑洞不停旋轉(zhuǎn)，空間的形狀以及時(shí)間的這個(gè)速度，它也會碰撞，那么然后就會產(chǎn)生一個(gè)巨大的浪，就好像海浪一樣。這就是黑洞的碰撞，巨大的海浪就產(chǎn)生了我們的現(xiàn)在可以觀察到的引力波。

我們從第一次之后又看到五次的黑洞碰撞導(dǎo)致的引力波，最有意思的兩個(gè)種子芯的碰撞。看一個(gè)動畫，這兩個(gè)種子芯，每一個(gè)是這個(gè)，它之間的濃度是原子動量濃度的20倍，碰撞之后產(chǎn)生一個(gè)巨大的火球。那么然后會放出各種各樣的波長的電磁波，這是我們可以檢測到的。

首先我們看到比如說中子合撞之后我們LIGO測試到引力波，這是天空的一個(gè)地圖。LIGO只能得出天空的位置，它這個(gè)是兩個(gè)綠色區(qū)域可能會出現(xiàn)碰撞。但是幾個(gè)禮拜之前還有另外一個(gè)，第三個(gè)引力波的測試就是Virgo，是法國、意大利、匈牙利、波蘭合作測試的，有三個(gè)LIGO之后，就會發(fā)現(xiàn)一個(gè)小小的深綠色的區(qū)域，是在碰撞之后1.7秒，就會看到這個(gè)天文學(xué)家就會看到伽瑪暴，可以用過這個(gè)伽瑪暴射線的望遠(yuǎn)鏡，就區(qū)劃出藍(lán)色的部分。接下去幾個(gè)月看到遠(yuǎn)紅外，來自于一個(gè)具體的星系，這是淺藍(lán)色的部分，這是天文學(xué)中合作最為廣泛的研究，一共15%的天文學(xué)家參與了碰撞的研究。

我們通過比較，這個(gè)不同的比如說電磁波的放射和引力波的放射，使用了很多的重金屬，包括金子，鉑金，產(chǎn)生的量幾乎等于地球上所有黃金的儲量。到2030年我們可以進(jìn)一步改善我們的LIGO的測試儀，在印度、北美、日本都會得到改善，也許其他地方也會出現(xiàn)LIGO。

現(xiàn)在LIGO的敏感度，會比現(xiàn)在好很多，敏感度會高非常多。可以看到整個(gè)宇宙追溯到很多時(shí)間以前，差不多銀河系出生的時(shí)間，我們會相信出現(xiàn)很多的令人震驚的發(fā)現(xiàn)。2030年會有四種不同類型的引力波，來自不同波的時(shí)段或者說波的時(shí)代，因?yàn)樗胁煌牟ㄐ蔚奶攸c(diǎn)。

一個(gè)就是我們有基于基地的引力波，它是在幾微秒的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的引力波，另外其有LISA是幾分鐘的引力波的爆發(fā)。我希望中國能夠在對地和對空方面能做出更多的貢獻(xiàn)。另外還有一個(gè)POSA是時(shí)間斷裂，研究的是幾年甚至十幾年，就是宇宙微波背景的偏正光，在我們的天空當(dāng)中，這個(gè)是在宇宙形成初期的這個(gè)引力波造成的，它是會和我們幾百萬年前甚至幾億年前的時(shí)空的碰撞而產(chǎn)生的。所以，到2030年甚至以后更長的時(shí)間，我們會做的最令人震驚的事情是對宇宙的探索。當(dāng)宇宙剛剛還不到1秒鐘的這個(gè)一萬分一秒的時(shí)候，電磁力還不存在，當(dāng)時(shí)的物理和現(xiàn)在不一樣。一秒的一萬億分之一的時(shí)候，電磁力會出現(xiàn)，物理會發(fā)生變化。我們期望或者是認(rèn)為這是以泡沫的狀態(tài)出現(xiàn)。如果真的這樣的話，這些泡沫當(dāng)中，這個(gè)就會出現(xiàn)比如說水分子出現(xiàn)，水滴出現(xiàn)，在每一個(gè)泡沫當(dāng)中有一個(gè)電磁力，根據(jù)理論，這些泡沫是以光速在擴(kuò)張，可以碰撞，出現(xiàn)引力波。那么隨著宇宙是不斷擴(kuò)張，這些引力波越來越長，越來越長，越來越長，現(xiàn)在這些引力波的長度已經(jīng)是LISA是可以測試的，我相信2030年的時(shí)候LISA可以看到或者是電磁產(chǎn)生的過程，通過引力波的分析。

更有意思的是看一下宇宙是怎么出生的。引力波是唯一一種形式的放射，是可以具有非常大的穿梭力，從宇宙出生的一瞬間到現(xiàn)在，這個(gè)過程中不會被吸收，也不會被散射的，即使高溫、高熱的環(huán)境中，宇宙怎么沉重？一開始的時(shí)候信號非常弱，有一個(gè)所謂的爆漲時(shí)期，就是一開始的最開始的時(shí)期，有強(qiáng)的理論證明這個(gè)爆漲時(shí)期，那些是有一個(gè)把各種波放大的過程，我們這個(gè)通過偏差政府光的技術(shù)可以看到這一點(diǎn)，通過LISA在2050年的時(shí)候我們講宇宙大爆炸，這個(gè)調(diào)查是可以出一些結(jié)果。所以通過引力波的研究，我們可以知道，宇宙是怎么產(chǎn)生的，以及這個(gè)爆漲時(shí)期的發(fā)展。

作為一個(gè)理論物理學(xué)家，其實(shí)我們一直覺得這是我們能做出的最大的貢獻(xiàn)，我們能獲得，我是非常期待在未來能夠看到這些觀察的數(shù)據(jù)，是和我們的這個(gè)關(guān)于比如說經(jīng)典的量子力學(xué)產(chǎn)出一些非常不同，完全相反的一些理論。我也是希望能夠推動這些新的觀察能夠讓我們用全新的角度看待經(jīng)典的量子力學(xué)和量子研究。