读书014引力波：穿越13亿光年,只为拉长人类世界的10亿分之一纳米——两个黑洞的婚礼请柬 -凯发网娱乐

今天是白色情人节，也是斯蒂芬·霍金（stephen hawking）教授逝世2周年纪念日。翻开一本有深度也有温度的书——《引力波》，重新聆听那来自宇宙深处的布鲁斯，为了浪漫，也为了纪念。

电影《星际穿越》海报

大家一定记得2014年上映的《星际穿越》，这部豆瓣评分9.3的史诗级科幻电影讲述了宇航员库珀和伙伴们穿越虫洞，去为人类寻找新家园的故事。在茫茫的银河系两端，旅行者面对宏大而幽深的宇宙，绚丽而无声，新家遥遥无期；而守候在地球的家人则面对日益恶化的生存困境而陷入绝望，但最终——引力的神奇魔法——它将父爱化作幽灵，给远方的孩子以启示和守护。这部电影的传奇编剧就是大名鼎鼎的基普·索恩（kip s. thorne）。现在让我们一起跟随作者的讲述去拾取引力波探索的传奇历程。

2017年10月3日，瑞典皇家科学院宣布将诺贝尔物理学奖授予雷纳·韦斯（rainer weiss）、基普·索恩（kip s. thorne）和巴里·巴里什（barry c. barish）等三名美国科学家，以表彰他们“在ligo探测器和引力波观测方面做出的决定性贡献”。

01 作者简介

珍娜·莱文（janna levin），生于1967年，哥伦比亚大学巴纳德学院天文学和物理学双学士，麻省理工学院理论物理学博士，现为美国哥伦比亚大学巴纳德学院的物理学和天文学教授，布鲁克林艺术与科学中心“先锋工厂（pioneer works）”科学总监。她长期与艺术家合作，试图打通艺术与科学的边界。用一首时下流行的歌曲《左手指月》的歌词来形容这位杰出的女科学家非常贴切：

“左手握大地，右手握着天；左手拈着花，右手舞着剑”

02 全书解读

爱因斯坦的百年猜想，如一句无声的呐喊，在一个世纪的求索中等待，终于有一天，科学家收到了14亿光年之外宇宙的回答，时间和空间的距离，早已超越一切，如神圣而非神圣，怎能不叫人痴迷。

02.1 引力波是什么？

大家都知道，牛顿力学理论认为：万有引力发生在任何两个物体a和b之间，一旦拿走物体a，那么物体b受到a的引力就随之立即消失。但是，牛顿错了！

1916年，爱因斯坦通过他的广义相对论告诉人们，世界上不存在什么速度可以超光速传播——引力也不行！并且爱因斯坦预言了引力波的存在。

要理解什么是引力波，我们首先了解一下广义相对论对于引力的解释：大质量物体造成其周围时空弯曲，小质量的物体需要具备一定的速度才能不至于掉落，于是小质量的物体绕着大致两物体公转。但，此时引力是稳定的，不易不易察觉的。

不过，直到突然有一刻，大质量物体消失（增大或者运动起来）了，他周围的时空因它状态变化而恢复平坦（或更加弯曲），这时：原先的弯曲时空中便会出现涟漪，以波的形式向外辐射能量，这就是引力波。

不幸也万幸的是，这种情况很少发生，被历史短暂，偏安宇宙一角的人类感知到就更难得。直到2015年9月14日，一道引力波从13亿光年之外的宇宙深处传来，它整整花了13亿年到达！送给了人们1秒钟的信号。而这个信号来自于两个黑洞的“婚礼”：它俩——一个有29倍太阳质量，另一个有36倍太阳质量——相互靠近并最终结合，释放出了3个太阳质量的能量（用爱因斯坦的可以自行计算），这些能量以纯引力波的形式向外辐射，然后后后后……13亿年……到达地球，用10毫秒的时间先后唤醒了位于美国东南和西北的两座引力波天文台——利文斯顿和汉福德的迈克尔逊激光干涉探测器。

02.2 引力波：亲爱的，我来了！ligo：来吧，我会加油，争取接到你！

然而科学远没有起个标题那么轻而易举，无数的科学家穷尽毕生智慧，用坚定的信仰，坚韧的毅力才收获预言验证的那一刻。

a. 因为相信，所以义无反顾。

雷纳·韦斯（rainer weiss），麻省理工学院教授，他坚信引力波的存在，并认为自己的一定能捕捉到它，他为了自己的信仰，工作了近50年。2005年，他辞掉教授的工作，开始一心一意地奋斗在4000米的混凝土管道里。他总会想起，1975年，在他的项目举步维艰时，他遇到了偶像级天体物理学家——基普·索恩（kip s. thorne），正当雷纳和基普准备向加州理工学院提交成立引力实验项目时，他们想到了天才的实验设计者罗纳德·德雷弗 （ronald·drever） 。1979年，罗纳德接受了基普的邀请，加入了引力波探测项目。从此，ligo （laser interferometer gravitational observatory）激光干涉引力波天文台项目“三巨头”聚齐。他们发挥各自的优势，一群世界一流的头脑们，每周工作7天，每天工作16小时。

b. 用来发现引力波秘密的仪器，本身就是一个奇迹。

ligo的工作原理图

探测引力波的仪器是一种超高精度的“迈克尔逊激光干涉仪”，它的能通过感知两个干涉臂细微的长短变化，分辨出时空因引力波而发生的扰动。科学家们的工作就是设计、制造足够灵敏的激光干涉引力波天文台，以使得可以在引力波经过天文台时“听到”它。雷纳从他1.5米的原型机开始，先后建造了5米，40米，最后到4000米长干涉臂的ligo，曾经被人嘲笑“连太阳炸了都不会有感觉”的装置，不断升级，最后成了验证引力波的神器，期间多少坎坷挣扎，可想而知。

这台“激光干涉仪”的灵敏度要达到什么程度：

可以记录：大约质子直径（ 1.6xe-15 m）千分之一距离的变化，换算成时间: 就是10的27次方分之一秒。

打个比喻，这样的测量精度，可以在3个地球并排的宽度上发现一个原子核大小距离的移动。

c. ligo与引力波浪漫的邂逅是另一个奇迹。

根据爱因斯坦的广义相对论，任何一个物体移动，都会发出引力波，但是普通的物体根本不可能搅动“刚硬”的时空。所以，即便是拥有如此灵敏的天文台，要想让它感受到时空变化，至少也应该是恒星毁灭级别的天文事件，如果是白矮星，中子星就更好了，如果是黑洞运动或者合并，那就再好不过了。1000多名科学家与工程师，当然包括意大利和法国人virgo，以及日本人的tama团队，他们夜以继日地工作，为了共同的信仰，他们多希望能在爱因斯坦引力波预言100周年——2016年之前——成功“听见”一次宇宙的“蓝调”。

雷纳说：“一次成功的探测，将为这一切画上一个圆满的句号。”

奇迹发生了，就在两座激光干涉引力波天文台——利文斯顿和汉福德调试完成2周之后，不早不晚，2015年9月14日凌晨05：51，13亿光年之外的双黑洞合并，它们发出的引力波抵达了地球！

ligo收到的引力波

03 结语

珍娜·莱文的《引力波》再现了50年来，ligo的科学家团队与信仰相伴，与时间赛跑，最终成功验证了100年前爱因斯坦的引力波的预言，为广义相对论的理论找到了最后一块“缺失的拼图”。随后，ligo合作组分别在2015年12月26日和2017年10月16日宣布，他们第二、第三次探测到的了引力波信号，我们可以确定自己能“听到”，并且“听懂”宇宙的声音。

回看全书，我们会发现它比电影《星际穿越》更能震撼人心：13亿光年的距离，65个太阳质量的双黑洞系统1秒钟之内融合，释放出3个太阳质量能量的引力波，正好显示在人类“10的负18次方米”精度的仪器上，这样的邂逅已不能再浪漫。