未來15年或20年，引力波將用來研究宇宙最早的時刻 | 視頻
之一
之二
諾獎得主Barry Barish報告：我們是如何探測引力波的？
在座的有很多年輕人，所以我想開頭講一下我年輕時候的事.我在一個小鎮(zhèn)長大，在猶他州，落基山上。我很小的時候想當(dāng)一個除雪車的司機，因為那時候在我眼中世上最厲害的事就是除雪車推著雪堆成三米高的小山。但是后來在我聽過一節(jié)關(guān)于太陽系的課程后開始對天文學(xué)感興趣。
特別是在1953年我13歲的時候，我讀了一本喬治·伽莫夫?qū)懙臅?，書名叫《從一到無窮大》。伽莫夫是一位理論物理學(xué)家和宇宙學(xué)家也是一位很有啟發(fā)性的作家。我對此徹底入迷，我愛上了宇宙的理論，宇宙物理學(xué)還有統(tǒng)治這個宇宙的定律，這就是為什么我今天在這里。
可能你們其中有些人聽說過，我曾經(jīng)嘗試過把自然定律和這個宇宙的美，通過一部我參與制作的電影傳遞給下一代人電影的名字叫做《星際穿越》，我寫了一本講解《星際穿越》中的科學(xué)的書來幫助年輕人更好的理解它，這是我為傳承給下一代做的一點微小的貢獻。
我是從伽莫夫那里領(lǐng)略到的啟示也正因如此我才出現(xiàn)在這里。我在加州理工求學(xué)，當(dāng)我到加州理工，也就是加利福尼亞州理工學(xué)院，我發(fā)現(xiàn)我有些笨。我原以為我年輕在高中的時候很聰明，我的腦子轉(zhuǎn)的比多數(shù)其他的同學(xué)慢，我要很費力才能跟得上，才能理解，但我還是成功過來了，因為我找到了我自己做事的方法。我意識到我需要對我正在學(xué)習(xí)的東西理解的更深才可以，如果我想成功的話。
其中之一，也是我成年之后一直保持的，可能之前我的同事都沒有見過，就是我自己做筆記，在學(xué)習(xí)物理上的重要結(jié)果時，我用自己的方法去解釋它們，然后給出自己對結(jié)果的推導(dǎo)和證明。這張不是我學(xué)生時代做的筆記而是稍晚一點的，但可以看到我一直在做這件事。我想這個是在1973年，不，這是1977年的筆記。但是我私下里一直保持這個習(xí)慣我想可能即使（猜測是一位親近的人）也沒見過這些筆記。
私下里我一直用我自己的語言處理問題，這些是保存在我家中的非常珍貴的筆記我有時候會倒回去讀多年前的筆記。所以我想告訴年輕人的是，如果你理解的時候有困難，你可以試著去找自己做事的方法，你自己理解的方法，而不需要與其他人一樣。
我之后繼續(xù)在普林斯頓讀博士，在那里我受到了我的博士期間的導(dǎo)師John Wheeler的啟發(fā)，對中子星和黑洞產(chǎn)生了興趣。我還經(jīng)常參加一位偉大的物理學(xué)家Bob Dicke的組會，他當(dāng)時正在進行重力的實驗，而我是一個理論學(xué)家，不是做實驗的，但是每個星期我都去Dicke研究組的組會。我聽組會上學(xué)生和博士后的發(fā)言，包括Rai Weiss，他當(dāng)時是博士后，討論他們進行的實驗，這樣我對實驗也有了一些了解。盡管我是一個理論學(xué)家，在1963年我參加了一個暑期學(xué)校，關(guān)于理論物理學(xué)和實驗物理學(xué)的，在法國阿爾卑斯山的萊蘇什，在那里我遇到了Rai提到過的Joseph Weber。
他當(dāng)時正在引力波探測實驗的早期階段。Joe和我在法國的阿爾卑斯山散步，關(guān)于引力波我深受他啟發(fā)。因此幾年后在1996年，當(dāng)我以一個年輕教授的身份回到加州理工時，我決定組建一個理論研究組，有一些跟我一起工作的學(xué)生和博士后，主要研究黑洞、中子星和引力波的理論。那時還沒有引力波的實驗，與我的學(xué)生、博士后和同事一起，我開始思考，我們可以從引力波中研究哪些科學(xué)，如果我的做實驗的同事可以探測引力波的話。直到1972年，我們才不得不開始構(gòu)想引力波天文學(xué)的前景。其中關(guān)鍵的一點，也是這個愿景的基礎(chǔ)，是引力波與電磁波如此的不同，而電磁波是天文學(xué)家通常的研究手段。
我提醒一下，電磁波包含光、無線電、X光、伽馬射線、紫外線、紅外線以及微波，這些都是電磁波。它們都是電場和磁場的振動，它們隨著時間變化在空間中傳播。引力波很不同，它們是空間形狀空間結(jié)構(gòu)的振動。引力波會使空間拉伸和壓縮就像Rai Weiss描述的那樣，在空間拉伸壓縮慣性系或者慣性移動的物體時，粒子就會被推來推去，這是與電磁波極為不同的現(xiàn)象。
在天體物理學(xué)中，由獨立的原子和分子等粒子發(fā)出的電磁波幾乎總是非相干疊加的，但是引力波是由大尺度運動的宏觀物體相干地發(fā)出的，大量的物質(zhì)或能量，所以對于兩種波，發(fā)射的過程是截然不同的。電磁波非常容易被散射或者吸收，這在它們從發(fā)射源傳播到地球的時候就會發(fā)生，引力波永遠不會被物質(zhì)顯著地吸收或散射，即便引力波是在宇宙誕生之初大爆炸的時候發(fā)出的，也只會有非常非常小的部分被吸收或者散射掉，因此引力波可以穿透一切東西。因為這兩種波的巨大差別。
在上個世紀70年代的時候我們就已經(jīng)非常清楚，許多引力波的源永遠不會被通過電磁波看到，引力波天文學(xué)，如果它可以被創(chuàng)立的話，將會給我們帶來宇宙各方面的信息在傳統(tǒng)天文學(xué)中我們是永遠不可能看到或者知道這些信息的?，F(xiàn)在我們就有一個例子，在所有的情況下碰撞的黑洞都沒有發(fā)出電磁輻射，在所有的黑洞碰撞中只有引力波，相應(yīng)地，我們也會期待更多大的驚喜。
因為你可以通過引力波看到宇宙各方面與電磁波不同的特點，引力波因此有潛力給我們對宇宙的理解帶來一場革命。在1972年，我的學(xué)生和我發(fā)表了第一篇關(guān)于引力波天文學(xué)前景的文章，在同一年，Rai Weiss展示了他的干涉引力波探測器的想法，對此我們當(dāng)時討論已久。
他把這個想法發(fā)表在MIT的一個內(nèi)部報告上，而不是發(fā)表在標準的雜志上。因為當(dāng)時他認為，如果有這樣一個實驗的想法，那應(yīng)該在得到結(jié)果發(fā)現(xiàn)引力波之后再發(fā)表，當(dāng)然這意味著他需要等45年左右才能發(fā)表。但是他把這篇報告發(fā)給了世界各地的同事，在這個報告中他確定了所有主要的噪聲源，正是他圖片中展示的第一個LIGO探測器所面臨的那些問題，他描述了如何處理克服每一個主要的噪聲源。然后他計算了如果這樣搭建裝置引力波探測器的精度和靈敏度如何，然后他把引力波探測的靈敏度同我的同事和我這樣的理論物理學(xué)家預(yù)言的強度相比較，然后他得出結(jié)論，如果你可以搭建一個幾千米長的裝置，也許可以成功。
我聽說了Rai的想法，但我也聽說它需要測量鏡子的移動，精度達到測量所用光的波長的一萬億分之一，也就是10的負12次方，我當(dāng)時覺得這太瘋狂了。因此在我和我博士論文的導(dǎo)師寫的著名的教科書《引力》中，我寫到，我對此持保守的態(tài)度，我沒有說這很瘋狂，但我說這不是一個有前景的方案。
然后幾年之后，我研究了Rai的方法并與他詳細討論，我還與一位偉大的俄羅斯實驗物理學(xué)家Vladimir Braginsky討論，我開始相信這確實有可能成功。我的理論界的朋友們和我認為這個領(lǐng)域的未來太激動人心了，因此我決定我應(yīng)該做所有身為一個理論學(xué)家該做的來幫助實驗團隊獲得成功。這就是為什么我今天在這里，事實上我花了我職業(yè)生涯70%的時間和我的學(xué)生一起致力于此，來嘗試幫助Rai Weiss和Barry Barish及他們的團隊成功。
第一步是在加州理工建立一個引力波實驗的實驗組。我們請來了Ronald Driver，一位非常聰明的實驗物理學(xué)家對Rai的設(shè)計進行了很多重要的改進，我們把他從格拉斯哥請到了加州理工來開展實驗工作。然后在1984年，Drever、Weiss和我創(chuàng)立了LIGO項目，以加州理工和麻省理工合作的方式，還有國家科學(xué)基金會的Richard Isaacson，他是我們項目在華盛頓的負責(zé)人負責(zé)提供資金以及提出建議。
在之后的幾年里, LIGO由Weiss、Drever和Thorne組成的執(zhí)行委員會領(lǐng)導(dǎo)，這是一個有史以來科學(xué)項目中最無能的領(lǐng)導(dǎo)集體，我們沒有辦法做決定達成一致，也沒有辦法有效地推進項目。直到間隔一段時間之后，我們請來了Barry Barish加入，創(chuàng)建了現(xiàn)代的LIGO項目并領(lǐng)導(dǎo)它，從而拯救了我們的夢想。
他開展了國際協(xié)作，現(xiàn)在有來自包含中國在內(nèi)的18個國家的千位科學(xué)家和工程師參與，包含大約九十個大學(xué)和研究機構(gòu)。這樣廣泛的合作對成功是必須的，因為為了測量很小的位移，系統(tǒng)有如此多的地方可能出現(xiàn)差錯，因此儀器會必定會非常復(fù)雜，需要非常大的專家團隊，專注于儀器的不同方面，還有數(shù)據(jù)分析，才能讓項目成功。
在談?wù)撐磥碇拔疫€想再說一點，對于先進LIGO到大約2020年時它將達到設(shè)計精度，我們將會遇到我提過的俄羅斯科學(xué)家Vladimir Braginski最早指出的一個現(xiàn)象。1968年，非常久之前，他告訴我們，無論你用什么方式尋找引力波，最后如果成功的話，那很可能你必須去測量一個大的重物的運動，在LIGO中就對應(yīng)于大的鏡子，且具有非常高的精度。你會看到這些重物的表現(xiàn)遵循量子物理而不是經(jīng)典物理。
我們回憶一下，如果你有一個電子，一個原子中的電子，你永遠不知道電子的精確位置，由于量子效應(yīng)，它的位置會隨機變化，我們這里只討論電子位置的概率。類似的，在達到設(shè)計精度的先進LIGO中，鏡子質(zhì)心的位置也有漲落，這正是我們仔細測量的量。我們測量鏡子質(zhì)心的移動，量子效應(yīng)造成的鏡子質(zhì)心的抖動，與LIGO的精度在同一水平。為了進一步提升性能，正如Barry Barish所說，鏡子位移的測量精度需要比量子漲落效應(yīng)還要小，這是需要實現(xiàn)的。
這意味著第一次人類可以看見人體尺度大小的物體表現(xiàn)出量子力學(xué)的行為。它需要發(fā)展一種新的叫做量子非破壞測量的技術(shù)來解決，這正是量子信息的一個分支，也是上海研究院的一個核心的工作，這里的主要工作之一就是量子信息。量子通信是量子信息一個很大的分支，量子非破壞測量是一個較小的分支，他們挑戰(zhàn)用新的方式獲取引力波的信息，也即通過測量一個40kg重的量子力學(xué)的“粒子”,也就是鏡子的質(zhì)心，而不破壞引力波中的信息。這個技術(shù)已經(jīng)被發(fā)展起來，我在這里不打算講，但是這是量子信息很有意思的一部分。
現(xiàn)在作為結(jié)尾，我想談一下關(guān)于LIGO和引力波的科學(xué)研究的現(xiàn)狀及未來。我們都知道黑洞，黑洞大致是一個球。有一個叫做視界的表面，你沒法看到黑洞里的任何東西。因為引力如此之強，以至于可以阻止光從黑洞中逃逸到視界外。如果有兩個黑洞，這是一段電腦模擬的LIGO看到的第一對黑洞碰撞的視頻。有兩個黑洞互相圍繞旋轉(zhuǎn)，這里和這里是黑洞的陰影。
這是星野，均勻的一些星星，它們在黑洞后面，但當(dāng)黑洞旋轉(zhuǎn)時，光線在傳到相機或你的眼睛時繞著黑洞被扭曲了，所以你看星野上這個奇妙的圖案。環(huán)繞著兩個黑洞的陰影，現(xiàn)在它們相撞合并了。讓我再重放一次。它們相互環(huán)繞，發(fā)出引力波，螺旋狀糾纏在一起，然后碰撞，最后合并。它們產(chǎn)生了非常強的引力波脈沖。
黑洞其實是由變形彎曲的空間和時間造成的。所以如果真的想了解發(fā)生了什么，你需要把空間和時間的扭曲可視化。我們可以這樣做，我們可以取兩個黑洞軌道所在的二維平面，然后我們從更高維度的空間上來看二維的表面，我們稱之為超維（bulk）。這就是超維下看黑洞碰撞的樣子。
每一個黑洞都像是一個向下到達視界的漏斗，顏色表示的是時間流逝快慢，紅色表示時間流逝的很慢，綠色表示時間流逝的速度像地球上一樣，箭頭表示黑洞的引力牽拉下的空間造成的運動，黑洞相互圍繞旋轉(zhuǎn)，上面角落里是時間。它們互相圍繞旋轉(zhuǎn)，我這里是慢放的。在它們碰撞的過程中會產(chǎn)生巨大的漣漪，就像是海洋里的風(fēng)暴一樣，然后是合并后黑洞的振動，你可以看到下面的視界里是黑色的，然后引力波就發(fā)射出來，這是一個從更高維空間看兩個黑洞碰撞的電腦模擬。
我接下來跳過一些我原以為有時間講的幻燈片。
我想在結(jié)尾談一下LIGO探測器看到的其他引力波源以及未來。我們預(yù)期能看到1.5倍太陽質(zhì)量的中子星的引力波，直徑約20千米，他們自旋產(chǎn)生脈沖，也叫脈沖星。中子星表面的小山和內(nèi)部的不均勻會產(chǎn)生引力波。我們預(yù)期能看到黑洞撕裂中子星產(chǎn)生的引力波。我們已經(jīng)用LIGO看到了兩個中子星碰撞的引力波，正如Barry講過的，我們希望某一天能看到，一個質(zhì)量巨大的恒星的核內(nèi)爆產(chǎn)生中子星發(fā)出的引力波，以及導(dǎo)致的恒星外部的超新星爆炸，也即超新星的發(fā)動機（的引力波）。
預(yù)言的宇宙弦可能存在也可能不存在，空間結(jié)構(gòu)中的裂縫，宇宙弦的周長小于π乘以直徑，在宇宙早期有可能形成了這些弦的網(wǎng)絡(luò)，LIGO正在尋找它們產(chǎn)生的引力波。并且會有大的驚喜。事實上我們有四個不同的頻段，在接下來15到20年中預(yù)計可以進行引力波天文學(xué)的研究。LIGO探測周期為毫秒的引力波，名字叫做LISA的任務(wù)將會覆蓋分鐘到小時周期的引力波，我稍后會提到。一個叫做脈沖星計時陣列的技術(shù)可以探測幾年到幾十年周期的引力波。有種叫做宇宙背景輻射極化的現(xiàn)象，可以用來測量億年周期的引力波。這四個不同的頻段相當(dāng)于傳統(tǒng)的X射線天文學(xué)，射電天文學(xué)、紅外天文學(xué)和可見光天文學(xué)。
在接下來15到20年都會被開啟，LIGO是第一個，LISA是由三個用激光互相追蹤對方的飛船構(gòu)成。他們相隔幾百萬公里，當(dāng)引力波到來時,飛船會相對運動，就像LIGO中的重物一樣，這是歐洲空間局的任務(wù)，在中國也有對未來類似可能的任務(wù)的討論，我們期望LISA可以在2030年左右發(fā)射，或者稍晚一些。由于探測器更大，所以它可以看到長的多的波長?？梢钥吹酱蟮枚嗟暮诙矗瑤装偃f個太陽質(zhì)量那么大的黑洞，以及它們碰撞產(chǎn)生的引力波。
我們也可以看到一個小黑洞繞著一個大黑洞旋轉(zhuǎn)時發(fā)出的引力波。這些引力波攜帶了大的黑洞附近時間和空間的詳細幾何圖像的信息。這是通過觀察圍繞大黑洞的小黑洞實現(xiàn)的，小黑洞最后會落到大黑洞的視界里，我們預(yù)期LISA可以研究這個問題。我們將會繪制大黑洞周圍的地圖，就像天文學(xué)家繪制火星表面的地圖一樣，我們將通過觀測繪制大黑洞周圍的時空結(jié)構(gòu)。
當(dāng)一個引力波掃過地球時，粗略的說，這并不精確但大致是準確的，引力波會加速地球上的時間，然后再減速時間，所以地球上時間流逝的速度相比宇宙其他地方會經(jīng)歷加速再減速的過程。如果觀測天空不同位置的脈沖星的無線電波，這些脈沖星的脈沖看上去就像先加速再減速再加速，所有天空中的脈沖星都是同步的。我們預(yù)計在接下來幾年中，射電天文學(xué)家會看到超大的十億個太陽質(zhì)量的黑洞的引力波。
最后兩張幻燈片。我們期望在未來，在接下來15或20年中，我們將開始用引力波來研究宇宙最早的時刻。
理論認為引力波可以從宇宙誕生傳播到現(xiàn)在，而不被吸收或散射。我們預(yù)計可以用LISA做的是，在宇宙誕生10的負12次方秒后，會有一個相變，非常基本的物理學(xué)定律會改變，被稱作電弱相變。在此之前，有一種力叫電弱力，但是不存在電磁力。弱力（一種力程只在原子核范圍的力）也不存在，在宇宙年齡10的負12次方秒時，如果這個一階相變發(fā)生，當(dāng)然我們不確定它是不是，然后就會形成泡泡，就像水中的泡泡，或者水蒸氣中形成的水滴。在泡泡中有新產(chǎn)生的電磁力以及新的自然規(guī)律，在泡泡外面沒有電磁力。這些泡泡會以光速擴張相撞，根據(jù)理論會產(chǎn)生引力波。
這些引力波在膨脹的宇宙中被頻移，最終在今天會落在LISA的頻率區(qū)間中，所以LISA將會尋找這些電磁力誕生之初的引力波。LIGO可以看到宇宙在10的負22次方秒時發(fā)生的類似的相變，我們對那個時候的自然規(guī)律一無所知。
最后，有預(yù)言說無論大爆炸產(chǎn)生了什么樣的引力波，即使只是引力場的量子漲落，都會在宇宙非?？焖倥蛎浀谋┟洉r期被放大。這會導(dǎo)致非常豐富的引力波譜，然后會與宇宙年齡在38萬年的原初等離子體相互作用，然后會在那個時候的電磁輻射上留下極化的圖案，結(jié)果就是那個時候留下的微波背景輻射，應(yīng)該會有我們今天可以看到的極化圖案。
能夠被研究早期宇宙微波信號的天文學(xué)家探測到，他們一直在尋找這種極化，他們也找到了，但是數(shù)據(jù)中有噪聲需要除掉。在我們解讀數(shù)據(jù)之前，一旦這些都做完了噪聲也被移除了，我們將會得到引力波譜，它是大爆炸帶來的各種現(xiàn)象的綜合效應(yīng)，通過暴脹效應(yīng)觀測宇宙的極早期。我也希望觀測到的引力波與理論預(yù)言不同，因為也許我們對宇宙誕生的理解并不像我們認為的那么好。
我最后總結(jié)一下，400年前伽利略建造了一個小型光學(xué)望遠鏡并把它指向天空，然后發(fā)現(xiàn)了木星的衛(wèi)星，月球的隕石坑，此后400年里，電磁波天文學(xué)完全改變了我們對宇宙的理解。就在兩年前，LIGO開機運行，發(fā)現(xiàn)了碰撞的黑洞的引力波，請大家想想，在接下來400年我們會通過引力波發(fā)現(xiàn)什么呢？謝謝大家！
