金屬球和羽毛的落體實驗和引力波有什麼關係？意大利麵又和引力磁又有什麼關係？引力波不僅是2015年的大新聞，更是一代又一代物理學家大膽猜測、嚴謹驗證的成果。雖然我們無法親身前往神秘的宇宙深處，但科學家們卻抓住了那遠方的信使，讓我們有機會探究宇宙未知的奧秘。北京師範大學天文系副教授張帆，將用小實驗和風趣幽默的比喻為大家介紹了引力波的相關知識。
我很羨慕唐立梅老師，他們能夠去南極那麼遠、那麼好的地方，像我們這種搞理論的，只能窩在家裡面靠猜，在座的哪位小朋友特別宅的，將來推薦向我們這方向發展。
我是北京師範大學天文系的張帆，我們那裡有一個叫做引力波宇宙學實驗室，我是其中的成員。今天我過來給大家講一講關於引力波的事情。
首先就是引力波，問一個問題，有多少人已經聽說過這件事了：關於2015年已經成功探測到引力波、2017年拿到諾貝爾獎？其中有多少人已經讀過無數關於引力波的科普，已經都受不了了？那你是不是已經明白引力波背後的物理機制，覺得再聽也是浪費時間？沒舉手，OK，行，那我今天還能講。我今天試試做一個實驗，看看能不能用圖片講一點背後的物理的機制。
引力波是一個什麼東西？它是我們所在的時空——時間和空間本身的波動，本身形狀的變化，是在愛因斯坦的廣義相對論下面才有意義的一個東西，它是驗證廣義相對論最後一塊拼圖。
原因是什麼？要搞明白這個，所以我們必須得要先學習廣義相對論。
愛因斯坦的相對論，你瞭解多少？
廣義相對論小課堂
下面五分鐘的時間我要講一講廣義相對論。
首先給大家先看一個視頻。
這是個宇航員，能看得出來他在月亮上是吧？他背後是一個登月艙。他在幹什麼你們能看得見嗎？看不見正好，我再來做一次這個實驗。
張帆現場演示實驗。
我現在把這兩個球放在同樣的高度，它們一個沉一個輕，我讓它們同時開始下落，最後認為這個重的先落地的舉手，沒有人；那我現在換一個羽毛，大家認為同時落下的舉手，也沒有人。大家生活經驗都好豐富。那為什麼羽毛沒有同時落下？因為羽毛有空氣阻力。
如果我們到月球上，到沒有空氣的地方，是不是羽毛和球就應該同時落下了？這個宇航員他右手拿的是一個錘子，左手拿的是一個羽毛，放下的時候，真的是同時落下的。
張帆現場演示實驗。
愛因斯坦在看到比這個在薩斜塔做的實驗的時候，想的是它們倆個同時下落意味著什麼？意味著這兩個東西不論它的質地是怎麼樣，內部結構是怎麼樣，它帶不帶電荷，有任何結構上的區別，引力對它們的作用是完全一樣的——同樣的加速度，同樣落到地上，同樣時間落到地上，這一點和其他的力是完全不一樣的。
愛因斯坦最喜歡做的就是思維實驗，因為他窮。大家要知道在早期，人們認為實驗物理學是光榮的，是貴族才能乾的事情，而理論物理學是窮人在家裡YY做的事情。所以最開始的理論物理學家是受歧視的。愛因斯坦做的思維實驗是怎麼樣呢？想象你在一個封閉的空間裡面，比如一個電梯間，同時讓這兩個球下落的時候，它們兩個同時砸到地面了。
一種可能性是這個電梯間是放在地球上的，這兩個球是由於引力的作用加速下降同時落地；另一種情況是電梯間實際上是在宇宙裡面，同時有一個宇宙飛船拽著這個電梯間加速向上走，那這兩個球也會同步的向下走，同時落在地面上。
所以你沒有辦法區分引力的效果，和一個參照物在加速運動的效果，這個參照物就是你的周圍的這個電梯間的牆。
愛因斯坦把它拔高到一個更加抽象的角度，說“我把所有其他的力都帶進來，把所有可能的實驗都囊括進來，我仍然沒有辦法區分引力和一個加速運動的參照系之間的區別”。這就有一個特別重要的後果了，物理是一門實驗科學，在任何實驗當中都沒辦法區分這兩個的話，它們就是一樣的。所以愛因斯坦當時就得出了一個結論：
引力不是力，但是引力體現了的是時空本身的幾何結構的彎曲，它是一個彎曲的一個時空。所以換句話說，愛因斯坦的廣義相對論把引力幾何化了。在廣義相對論之下將引力幾何化了之後，會有非常有意思的現象，比如說光也會受到影響，它也沒辦法走直線了。在牛頓的引力下面，光如果沒有質量的話是不受引力的，但在廣義相對論之下，你就有了這種奇特的叫做引力透鏡的現象。
黑洞相互旋轉產生引力波
比如說上面這張圖，中間實際上是兩個黑洞在互相環繞，這兩個黑洞互相環繞的時候扭曲了周圍的時空，所以從那些時空裡面過來的光，也就是背景的星光，它走的是一個彎曲的路徑，就好像這個光在一個透鏡裡面的效果是一樣的，所以你看到所有的東西都已經扭曲了。
這張圖不是藝術家的想象，當然也不是實景拍攝——實景拍攝的話攝影師早掛了。 它是大型計算機通過理論數值模擬計算出來的。我們發明那麼多超級計算機，比如太湖之光，幹嘛用的？可以幹這個用。計算出來這些時空之後，就可以看那些光究竟在裡面怎麼走。
在有了這個能力之後，人總是要幹一些無聊的事情。比如下面這張圖。
想象你自己站在月球上看地球，在地球和月球之間有一個超光速飛船通過，上面這張圖是你看到的情景，其中紅點表示超光速飛船。
但是它是有問題的——你是沒有辦法穿過去蟲洞，除非有反引力的特別物質在這撐著（讓它不會閉合）。我們現在不知道這種物質有沒有存在，十有八九不存在。這個也是一樣，你需要反引力的物質才能夠把這個超光速飛船造出來。所以我才說是無聊的事情，但是好玩。
引力波
我們知道廣義相對論了，那廣義相對論跟引力波有什麼關係？
在廣義相對論下面，時空有一個幾何形狀，那個幾何形狀取決於物質的分佈。地球彎曲了地球周圍的空間，所以地球周圍的東西才會往下掉；如果地球本身的狀態發生變化了，比如它本來一直停止的，突然就這麼跑了（但是事實上不行了，不然我們全都從地球上掉下去了），那這個地球狀態改變的信息是什麼傳播出去的？就是通過波傳播出去的，引力波。
電磁場動圖
上圖這個是電磁，這是一個電荷紅點，當它停在中間，在遠處的電磁場現在都指向它；如果它動起來了以後，遠處的電場線必須跟著指向它，那遠處這些電場線怎麼知道我需要改變我的運動狀態了呢？ 就是通過電磁波，是電磁波把這個信息傳遞出去的。
同樣的原理，引力波也是一樣。當源頭處，比如說兩個黑洞在這裡互相繞轉，開始是兩個洞，後來變成了一個洞。這些關於這個黑洞狀態的變化的信息，是怎麼傳遞給遠處，讓遠處知道這些變化？就是通過這些引力波？
所以引力波是廣義相對論裡面特別重要特別基礎，必須存在的一個東西。
如何研究引力波？
我們知道它重要，我們怎麼來研究它？還是從電磁學裡面找思路。
電磁學裡面有個特別重要的東西，就是電場線、磁場線。我把磁場線畫出來了以後，就知道如果放一個磁鐵在那個磁場線的地方，它會沿著磁場線的方向指向；如果是電場線的話，我放一個電荷，它會沿著那個方向加速，對吧？你可以通過畫這些線來研究這個電磁波的發射是什麼樣的。
電磁波示意圖。
左邊這個是電磁波，這一圈一圈走掉的是電場線。下面這張圖就可以更清楚地看到電磁波是怎麼產生的，向右邊那張圖右上角。如果有兩個電荷，你中間會有個電場線連接它們，電場線因為必須要腳踏著電荷。但是如果這兩個電荷逐漸互相接近，最後中和掉了，你沒有電荷了，你的電場線就沒有地方落腳了，它自己就只能閉合成一個圈，沒有根基的，什麼就就跑掉了。跑掉的這個東西就是電磁波，左邊的這個就是電場線，從一個電偶極子發射出來的電磁波。
在引力場裡面也可以畫線。
左邊是引力電，右邊的是引力磁。
上圖左邊是引力電，右邊的是引力磁，它和電磁沒有直接的關係，只是一個類比。中間紅的這個東西是一個黑洞，在黑洞附近，時空的每一點，例如那個箭頭指的地方，有三條叫做引力電的線。
根據它的特性不同，你可以把它畫弄成藍色或者是紅色。藍色和紅色是什麼意思呢？你如果有一個人把自己沿著紅色的方向站著，你會被拉長，沿著藍色的方向你會被壓扁。你們都聽說過，如果一個宇航員掉到黑洞裡，他會被拉成麵條，就掛了，那是沿著紅的那個方向進去的時候；你如果是橫著（沿著藍色方向）進去的話，你實際上是被壓扁了的。
這在科幻片裡面被提到得到如此多，以至於已經有一個詞來描述： spaghettification。Spaghetti就是意大利麵的細麵條，一般是配番茄醬，當然你加這老乾媽其實更好吃，但是意大利人吃不了辣的，所以他會扁你。
還有一件事情就是這個fusilli，就是擰成麻花的這個意大利麵。它生的和煮過頭的只有一秒之差（你要錯過了那一秒把它煮過頭了，意大利人就扁你）。那我為什麼要把這個東西放在這呢？ 在一個旋轉的黑洞周圍，也有這些引力磁的線。 你如果把一個人沿著紅線放進去，周圍的時空會擰你，沿著這個方向擰你，把你頭和腳反方向擰。你如果是藍色的線，它就逆過來擰。
所以掉到黑洞的時候，人的死法是很多種多樣的，這個取決於你瑜伽的水平——你有可能是被擰死的，也有可能是被抻死的。你別看我這麼胖，我其實瑜伽很好，我多半是被抻死。
兩個黑洞碰撞了之後，形成一個單一的黑洞。
左邊這邊是兩個黑洞碰撞了之後，形成一個單一的黑洞。那個黑洞在那晃，就會產生引力波，發射出來這個像甜甜圈一樣東西，就是引力磁的場線。它和下圖這個電磁場形成類比。
電磁場示意圖。
如何探測引力波？
那怎麼來探測引力波？
引力波到遠處了之後，就形成了那樣子一個局面，這是它的波前，也就是一個波發出來到遠處最前面那個閃的那個部分。在那個上面，每一點有三條線（它垂直方向沒有任何的影響，所以就沒有畫），在沿著面的平行的方向，有藍線和紅線。還記得藍線和紅線作為引力電一個抻一個壓，所以如果有兩個尺子是垂直襬放著，當引力波過來的時候，它會壓其中一個方向，而抻另一個方向；因為波是會變化的，過一會藍的和紅的都反過來了，它就壓這個，抻那個。
所以探測引力波最簡單的辦法，就是用激光干涉儀，測的就是兩個臂之間的臂長的差別。美國人造了，在Louisiana（路易斯安那州），就是吃海鮮亂燉的那個州，它有4公里長，是非常震撼的。當地民風淳樸，就是他看到這麼震撼的東西，他第一反應是我要拿槍打它，當時也造成了巨大的困擾。
除了美國這兩個以外，其它地方歐洲也有一個，然後日本有一個叫做KAGRA，這個是我非常喜歡的，它在一個山的下面，神岡山下面，就是測中微子那個地方。我為什麼那麼喜歡它？就是因為它的名字叫KAGRA，一看就是日本人起的。為什麼？因為“Godzilla（哥斯拉）從東京灣登陸，KAGRA從西岸登陸夾擊日本”，一聽就是日本的。
我今天講了就講到這。
張帆演講現場。
這次張帆的引力波探秘的分享就到這裡了，後續我們還會為大家帶來李象益、劉炎林和崔凱三位科學家的視頻+圖文回顧，歡迎持續關注我們。
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