10分鐘，了解引力波
昨晚10點，世界上數十家著名的天文機構也發布了一個重大消息：人類第一次直接探測到雙中子星合并的引力波。
有些人可能會說，引力波不是在去年2月就被發現了嗎？它是如何再次宣布的？
這是因為這兩次引力波發現事件的性質不同，所以意義不同。如果用一句話簡單總結一下，那就是人類之前只感受到引力波的存在，而這一次，是認真的“看到”。
今天，睡眠將簡要普及引力波和引力波觀測的知識。別擔心，它將使用最通俗易懂的語言。
什么是01引力波？
如果把我們的宇宙比作一座巨大的公寓樓，那么各種完全不同的物質就像一個脾氣完全不同的租戶。這些“租戶”怎么能和睦相處呢？
宇宙公寓樓提供了四項最基本的規定，所有租戶都必須遵守這四項基本規定。是的，這是宇宙中最基本的四種相互作用：“引力相互作用、電磁相互作用、強相互作用和弱相互作用”。
這四種相互作用，也被稱為“自然四力”或“宇宙基本力”。直到今天，在物理學的幫助下，所有關于物質的物理現象都可以用這四種基本相互作用的機制來描述和解釋。
在這四種相互作用中，電磁力、強力和弱力在上個世紀中期就被探測和證明了。只有引力在理論上一直存在。關于它存在的證據是：引力波尚未被發現。
為什么會這樣？
因為引力太弱了。根據四種基本力的相對強度：如果引力強度為1，那么，即使名稱中有“弱”弱，也有10的25倍。電磁力和強度分別是10的36倍和10的38倍。
所以如果你不知道，你會發現引力波的作用太弱了。
那么，引力波是什么樣的波呢？
在愛因斯坦的廣義相對論中，我們可以用一種更生動的方式來解釋：時間和空間的彎曲，或由高質量的物體加速運動產生的波。
如果你把時間和空間想象成一個巨大而平坦的沙發，那么當你坐在沙發上時，重量自然會導致沙發凹陷。如果你旁邊有一個小球，那么小球也會因為你的重量而滾到你身上。
而且，體重越大，沙發上的凹陷越大，效果越明顯（別擔心，睡眠不會讓你減肥……）。
另外，如果你坐在沙發上，通過超高速攝影一幀一幀慢放，你會發現沙發上的凹陷是從內到外逐漸擴散的，呈現出波動的形式。
如果用更明顯的例子，當你把一塊石頭放在一個平靜的湖里時，它會以石頭進入水中的地方為中心，產生一圈又一圈的漣漪。這種漣漪類似于引力波的作用。
顯然，如果以宇宙時空為背景，一塊石頭或一個人引起的引力波幾乎可以忽略不計。更不用說被幾十億光年之外的感知了。
也就是說，只有那些巨大到不可思議的天體，在產生驚天動地的天文現象時，釋放出來的引力波，才能被我們捕捉到，遠離十億光年。
例如，超新星爆發產生的引力坍縮和伽馬射線暴，如FAST不久前發現的脈沖星，如雙星系統的合并，如雙黑洞（去年），或雙中子星的合并，這是昨天剛剛發布的引力波觀測事件的起源。
如何捕捉引力波？
事實上，即使黑洞合并了這樣一個震驚宇宙的大事件，當引力波信號到達地球時，它的強度也很小。
到底有多小？
引力波振幅的數量級小于10負21次方，只有氫原子的100億分之一。
振幅小到這個尺度的波動信號，更別說蝴蝶振動翅膀了，就是蝴蝶放屁相當于海嘯…
那黑科技LIGO是如何捕捉引力波的呢？
LIGO的全名是Laserinterferometergravitational-WaveObservatory，中文意思是激光干涉引力波天文臺。是的，從名字上可以看出，LIGO之所以能捕捉引力波，是因為光的干涉原理。
雖然干擾原理是初中的物理知識，但很多人都忘記了。沒關系。我會幫你回憶起，如果兩束光波在傳播過程中重疊，就會出現新的波形。如果是峰谷疊加，新的波形會更強(下圖左側)。如果峰谷相抵，新的波形甚至會消失(下圖右側)。
體現在光強上，最亮的地方會超過原兩束光的光強之和，最暗的地方光強可能為零，稱為“干涉條紋”。
在引力波的影響下，會有輕微的光波波形變化，當時光探測器可以感知到干擾條紋的變化。最理想的狀態是從零開始，最初完全相互抵消，如果受到引力波的影響，就會形成干擾波形圖案。
看起來又矮又油，不錯，但實際操作起來非常非常困難。因為地球上有太多的電磁噪聲干擾，這些干擾本身比重力波大得多。如何解決這個問題？
除了一些頂級的抗干擾方法(比如新LIGO的懸垂穩定器，提高了10倍的精度)，LIGO還有另一個解決辦法，那就是我復制自己。
事實上，真正的LIGO系統有兩個完全一致的設備，分別位于華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的利文斯頓，相距3000多公里。這樣，超級計算機就可以比較收集到的數據，并通過算法消除大量的干擾信息。
因為，同時會影響兩地之間的波動信號，基本上來自太空，所以去除地面的人工信號更容易篩選。
除此之外，LIGO本身也是人類歷史上最精密的儀器。
首先，為了獲得更清晰的干擾波形，激光強度需要足夠大，即功率需要足夠大，所以增強激光功率的方法是讓激光通過許多鏡子來回反射。
LIGO的每一面鏡子都有超乎想象的反射率。這些純二氧化硅制成的反射鏡，每300萬光子射入一次，只剩下一次，剩下的光子都會反射。
此外，LIGO本身的激光臂有4公里長，但精度遠遠不夠。激光需要400次反射才能達到最終的強大功率，也就是說激光臂的最終長度是1600公里，這樣驚人的長度才能達到最終的精度。
是的，當你乘以10-21次和1600公里的引力波振幅時，最終的數據尺度大約是單個質子半徑。雖然它仍然很小，但至少足以捕捉到引力波的存在。
03這次引力波檢測有什么區別？
昨天公布的引力波探測事件是兩顆中子星合并時釋放的引力波。之前觀察到的是兩個黑洞合并釋放的引力波。
簡而言之，它們有兩個區別：
第一點是雙中子星合并，產生更強的引力波信號。雖然中子星的質量比黑洞小得多，但它們比黑洞長得多，可以持續一分鐘以上，而黑洞合并的引力波信號通常只持續一秒鐘。
好吧，持久就好~
第二點是，當雙黑洞合并時，由于黑洞的巨大重力，任何光波都無法釋放，也就是說，這個事件是真正的“黑色”，我們只能根據其他現象推測它，但不能真正“看到”。
雙中子星的合并是不同的。它不僅會釋放大量的短伽瑪射線暴力，還會發出巨星輻射。換句話說，我們的天文望遠鏡將觀察到大量的電磁信號。
也就是說，結合引力波和電磁波，我們對觀測有一個雙保險參考，可以通過電磁波準確定位天文現象的位置。
嗯，每個人都可能聽說過黑洞，所以中子星（neutronstar）又是什么？
當恒星的壽命即將結束時，其核心中的氫、氦、碳等元素在100億年的核聚變反應中已經耗盡。最后，當熱輻射效應逐漸下降，壓力不再足以支撐外殼時，就會發生坍縮和劇烈爆發。
根據恒星的質量，從小到大最終會演變成白矮星、中子星或黑洞。
中子星的直徑一般為10-20公里，但每立方厘米的物質重量可達10億噸，因此其重量可達太陽的1.35-2.1倍。也就是說，中子星的密度與原子核基本相同。
此外，中子星的自轉速度非常快，可以達到一秒一圈。
你可以想象一個直徑20公里，有兩顆太陽這么重的星體，一秒鐘就能轉一圈。這是什么場景…
正是因為旋轉速度非常快，中子星本身的磁場非常強。旋轉過程中產生的電磁波輻射每次掃過地球時都會形成高頻信號脈沖。這種中子星也被稱為“脈沖星”（Pulsar）”。就像迪廳里快速旋轉的彩燈…
值得一提的是，世界上最大的單口徑（500米）射電望遠鏡，位于中國貴州的FAST望遠鏡，一周前剛剛檢測到數十個高質量的脈沖星候選人，其中6人通過了國際認證。
這也是中國射電望遠鏡首次發現脈沖星。
正如我們在上面所說，脈沖星本身就是引力波產生的重要來源，也就是說，LIGO很有可能在未來發生、VIRGO(相當于歐洲LIGO)發現引力波的存在，然后從FAST等天文望遠鏡觀察到那個位置，最終發現脈沖星、中子星合并等罕見的天文現象。
這次中子星合并就是這樣一個故事:
8月17日，LIGO和VIRGO的三個探測器接收到一個引力波信號。僅僅1.7秒，NASA的費米衛星就發現了伽馬射線暴。然后智利的SWOPE望遠鏡在星系NGC4993中觀察到了明亮的光學源。
這三者證實了宇宙中一件大事的發生(實際上發生在1.3億年前，但信號剛剛到達地球……)
因此，在接下來的幾周里，世界上所有著名的天文臺都將望遠鏡對準了該地區，并爭先恐后地記錄了天文數據，即兩顆中子星的前世和今生：
在距離地球1.3億光年的長蛇星系NGC493中，兩顆中子星互相吸引，越來越近。最后，他們決定合身，以獲得生活的偉大和諧…
合并前100秒左右，距離400公里，每秒繞12圈(這個速度嘖嘖)，向外輻射引力波。幾秒鐘內，它們變得越來越近，直到它們最終合并在一起，產生劇烈的沖擊，形成新的天體，并發出電磁輻射。
LIGO發現的是合體事件的引力波；世界主要天文臺發現的是合體事件的電磁輻射。
雙中子星合并，最終變成了什么？
目前還在觀察中，一種可能是變成了更大的中子星，一種可能是變成了黑洞。
04引力波的發現有什么意義？
我認為公眾最關心的可能是這個。
但說實話，就目前而言，除了在天文、物理等頂尖領域具有重要意義外，對普通人來說并沒有直接意義。
也許很多人會這么想。你在乎什么？反正這個東西不會影響我加薪，也不會幫我娶媳婦。有了這筆錢，還不如搞扶貧。我不妨看看彭于晏于晏魯漢的八卦。
真的是這樣嗎？
500年前，歐洲的航海技術發展迅速，而世界第一的明朝寧愿禁海，也不愿在航海上燒錢。從那時起，歐洲人殖民了世界，他們的文化對海外產生了深遠的影響。
三百年前，歐洲啟蒙運動誕生了，基礎科學發展迅速，但清朝人認為它是一種奇怪的技能。然而，人們很快就發生了工業革命，遠遠落后于中國，但也讓我們經歷了如此羞辱的歷史。
現在，我們還會繼續這么短視嗎？只有身邊看得見摸得著的才是利益。從長遠來看，看似空靈無邊與我無關。是這樣嗎？
當法拉第發現電磁感應并被麥克斯韋研究時，公眾可能會認為這與我無關。然而，當電能最終進入應用領域時，它給世界上每個人的生活帶來了難以想象的變化。
神經網絡、人工智能和量子計算也是如此。這些領域的專家早在20世紀60年代就開始研究，但現在他們終于進入了應用階段。在成熟的收獲季節，許多人開始突然意識到：啊，XX技術太強大了，太棒了！
他們不知道有多少科學家和先驅者付出了多少努力。
以雙子合并引力波事件為例，中國團隊也默默參與其中。LIGO的團隊得到了清華大學信息技術團隊的幫助。
中國科學院南京紫金山天文臺對觀測數據進行了詳細分析。
在南極，中國南極巡天隊利用昆侖站第二臺望遠鏡AST3-2觀察了雙中子星合并事件。
在太空中，中國第一顆空間X射線天文衛星-慧眼HXMT望遠鏡也成功監測了事件的發生。
未來，中國將探索引力波的頂級項目：天琴計劃將逐步完成。與LIGO相比，天琴計劃直接在太空中觀測衛星。
科學前輩們今天的努力對普通人來說可能毫無意義，但也許十多年或幾十年后，他們會讓人類生活得更好，讓人類的后代生活得更幸福。
我們曾經忽視和落后，我們失去了探索海洋的機會。現在，我們不能再失去探索太空的機會了。
10分鐘，了解引力波
昨晚10點，世界上數十家著名的天文機構也發布了一個重大消息：人類第一次直接探測到雙中子星合并的引力波。
有些人可能會說，引力波不是在去年2月就被發現了嗎？它是如何再次宣布的？
這是因為這兩次引力波發現事件的性質不同，所以意義不同。如果用一句話簡單總結一下，那就是人類之前只感受到引力波的存在，而這一次，是認真的“看到”。
今天，睡眠將簡要普及引力波和引力波觀測的知識。別擔心，它將使用最通俗易懂的語言。
什么是01引力波？
如果把我們的宇宙比作一座巨大的公寓樓，那么各種完全不同的物質就像一個脾氣完全不同的租戶。這些“租戶”怎么能和睦相處呢？
宇宙公寓樓提供了四項最基本的規定，所有租戶都必須遵守這四項基本規定。是的，這是宇宙中最基本的四種相互作用：“引力相互作用、電磁相互作用、強相互作用和弱相互作用”。
這四種相互作用，也被稱為“自然四力”或“宇宙基本力”。直到今天，在物理學的幫助下，所有關于物質的物理現象都可以用這四種基本相互作用的機制來描述和解釋。
在這四種相互作用中，電磁力、強力和弱力在上個世紀中期就被探測和證明了。只有引力在理論上一直存在。關于它存在的證據是：引力波尚未被發現。
為什么會這樣？
因為引力太弱了。根據四種基本力的相對強度：如果引力強度為1，那么，即使名稱中有“弱”弱，也有10的25倍。電磁力和強度分別是10的36倍和10的38倍。
所以如果你不知道，你會發現引力波的作用太弱了。
那么，引力波是什么樣的波呢？
在愛因斯坦的廣義相對論中，我們可以用一種更生動的方式來解釋：時間和空間的彎曲，或由高質量的物體加速運動產生的波。
如果你把時間和空間想象成一個巨大而平坦的沙發，那么當你坐在沙發上時，重量自然會導致沙發凹陷。如果你旁邊有一個小球，那么小球也會因為你的重量而滾到你身上。
而且，體重越大，沙發上的凹陷越大，效果越明顯（別擔心，睡眠不會讓你減肥……）。
另外，如果你坐在沙發上，通過超高速攝影一幀一幀慢放，你會發現沙發上的凹陷是從內到外逐漸擴散的，呈現出波動的形式。
如果用更明顯的例子，當你把一塊石頭放在一個平靜的湖里時，它會以石頭進入水中的地方為中心，產生一圈又一圈的漣漪。這種漣漪類似于引力波的作用。
顯然，如果以宇宙時空為背景，一塊石頭或一個人引起的引力波幾乎可以忽略不計。更不用說被幾十億光年之外的感知了。
也就是說，只有那些巨大到不可思議的天體，在產生驚天動地的天文現象時，釋放出來的引力波，才能被我們捕捉到，遠離十億光年。
例如，超新星爆發產生的引力坍縮和伽馬射線暴，如FAST不久前發現的脈沖星，如雙星系統的合并，如雙黑洞（去年），或雙中子星的合并，這是昨天剛剛發布的引力波觀測事件的起源。
如何捕捉引力波？
事實上，即使黑洞合并了這樣一個震驚宇宙的大事件，當引力波信號到達地球時，它的強度也很小。
到底有多小？
引力波振幅的數量級小于10負21次方，只有氫原子的100億分之一。
振幅小到這個尺度的波動信號，更別說蝴蝶振動翅膀了，就是蝴蝶放屁相當于海嘯…
那黑科技LIGO是如何捕捉引力波的呢？
LIGO的全名是Laserinterferometergravitational-WaveObservatory，中文意思是激光干涉引力波天文臺。是的，從名字上可以看出，LIGO之所以能捕捉引力波，是因為光的干涉原理。
雖然干擾原理是初中的物理知識，但很多人都忘記了。沒關系。我會幫你回憶起，如果兩束光波在傳播過程中重疊，就會出現新的波形。如果是峰谷疊加，新的波形會更強(下圖左側)。如果峰谷相抵，新的波形甚至會消失(下圖右側)。
體現在光強上，最亮的地方會超過原兩束光的光強之和，最暗的地方光強可能為零，稱為“干涉條紋”。
在引力波的影響下，會有輕微的光波波形變化，當時光探測器可以感知到干擾條紋的變化。最理想的狀態是從零開始，最初完全相互抵消，如果受到引力波的影響，就會形成干擾波形圖案。
看起來又矮又油，不錯，但實際操作起來非常非常困難。因為地球上有太多的電磁噪聲干擾，這些干擾本身比重力波大得多。如何解決這個問題？
除了一些頂級的抗干擾方法(比如新LIGO的懸垂穩定器，提高了10倍的精度)，LIGO還有另一個解決辦法，那就是我復制自己。
事實上，真正的LIGO系統有兩個完全一致的設備，分別位于華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的利文斯頓，相距3000多公里。這樣，超級計算機就可以比較收集到的數據，并通過算法消除大量的干擾信息。
因為，同時會影響兩地之間的波動信號，基本上來自太空，所以去除地面的人工信號更容易篩選。
除此之外，LIGO本身也是人類歷史上最精密的儀器。
首先，為了獲得更清晰的干擾波形，激光強度需要足夠大，即功率需要足夠大，所以增強激光功率的方法是讓激光通過許多鏡子來回反射。
LIGO的每一面鏡子都有超乎想象的反射率。這些純二氧化硅制成的反射鏡，每300萬光子射入一次，只剩下一次，剩下的光子都會反射。
此外，LIGO本身的激光臂有4公里長，但精度遠遠不夠。激光需要400次反射才能達到最終的強大功率，也就是說激光臂的最終長度是1600公里，這樣驚人的長度才能達到最終的精度。
是的，當你乘以10-21次和1600公里的引力波振幅時，最終的數據尺度大約是單個質子半徑。雖然它仍然很小，但至少足以捕捉到引力波的存在。
03這次引力波檢測有什么區別？
昨天公布的引力波探測事件是兩顆中子星合并時釋放的引力波。之前觀察到的是兩個黑洞合并釋放的引力波。
簡而言之，它們有兩個區別：
第一點是雙中子星合并，產生更強的引力波信號。雖然中子星的質量比黑洞小得多，但它們比黑洞長得多，可以持續一分鐘以上，而黑洞合并的引力波信號通常只持續一秒鐘。
好吧，持久就好~
第二點是，當雙黑洞合并時，由于黑洞的巨大重力，任何光波都無法釋放，也就是說，這個事件是真正的“黑色”，我們只能根據其他現象推測它，但不能真正“看到”。
雙中子星的合并是不同的。它不僅會釋放大量的短伽瑪射線暴力，還會發出巨星輻射。換句話說，我們的天文望遠鏡將觀察到大量的電磁信號。
也就是說，結合引力波和電磁波，我們對觀測有一個雙保險參考，可以通過電磁波準確定位天文現象的位置。
嗯，每個人都可能聽說過黑洞，所以中子星（neutronstar）又是什么？
當恒星的壽命即將結束時，其核心中的氫、氦、碳等元素在100億年的核聚變反應中已經耗盡。最后，當熱輻射效應逐漸下降，壓力不再足以支撐外殼時，就會發生坍縮和劇烈爆發。
根據恒星的質量，從小到大最終會演變成白矮星、中子星或黑洞。
中子星的直徑一般為10-20公里，但每立方厘米的物質重量可達10億噸，因此其重量可達太陽的1.35-2.1倍。也就是說，中子星的密度與原子核基本相同。
此外，中子星的自轉速度非常快，可以達到一秒一圈。
你可以想象一個直徑20公里，有兩顆太陽這么重的星體，一秒鐘就能轉一圈。這是什么場景…
正是因為旋轉速度非常快，中子星本身的磁場非常強。旋轉過程中產生的電磁波輻射每次掃過地球時都會形成高頻信號脈沖。這種中子星也被稱為“脈沖星”（Pulsar）”。就像迪廳里快速旋轉的彩燈…
值得一提的是，世界上最大的單口徑（500米）射電望遠鏡，位于中國貴州的FAST望遠鏡，一周前剛剛檢測到數十個高質量的脈沖星候選人，其中6人通過了國際認證。
這也是中國射電望遠鏡首次發現脈沖星。
正如我們在上面所說，脈沖星本身就是引力波產生的重要來源，也就是說，LIGO很有可能在未來發生、VIRGO(相當于歐洲LIGO)發現引力波的存在，然后從FAST等天文望遠鏡觀察到那個位置，最終發現脈沖星、中子星合并等罕見的天文現象。
這次中子星合并就是這樣一個故事:
8月17日，LIGO和VIRGO的三個探測器接收到一個引力波信號。僅僅1.7秒，NASA的費米衛星就發現了伽馬射線暴。然后智利的SWOPE望遠鏡在星系NGC4993中觀察到了明亮的光學源。
這三者證實了宇宙中一件大事的發生(實際上發生在1.3億年前，但信號剛剛到達地球……)
因此，在接下來的幾周里，世界上所有著名的天文臺都將望遠鏡對準了該地區，并爭先恐后地記錄了天文數據，即兩顆中子星的前世和今生：
在距離地球1.3億光年的長蛇星系NGC493中，兩顆中子星互相吸引，越來越近。最后，他們決定合身，以獲得生活的偉大和諧…
合并前100秒左右，距離400公里，每秒繞12圈(這個速度嘖嘖)，向外輻射引力波。幾秒鐘內，它們變得越來越近，直到它們最終合并在一起，產生劇烈的沖擊，形成新的天體，并發出電磁輻射。
LIGO發現的是合體事件的引力波；世界主要天文臺發現的是合體事件的電磁輻射。
雙中子星合并，最終變成了什么？
目前還在觀察中，一種可能是變成了更大的中子星，一種可能是變成了黑洞。
04引力波的發現有什么意義？
我認為公眾最關心的可能是這個。
但說實話，就目前而言，除了在天文、物理等頂尖領域具有重要意義外，對普通人來說并沒有直接意義。
也許很多人會這么想。你在乎什么？反正這個東西不會影響我加薪，也不會幫我娶媳婦。有了這筆錢，還不如搞扶貧。我不妨看看彭于晏于晏魯漢的八卦。
真的是這樣嗎？
500年前，歐洲的航海技術發展迅速，而世界第一的明朝寧愿禁海，也不愿在航海上燒錢。從那時起，歐洲人殖民了世界，他們的文化對海外產生了深遠的影響。
三百年前，歐洲啟蒙運動誕生了，基礎科學發展迅速，但清朝人認為它是一種奇怪的技能。然而，人們很快就發生了工業革命，遠遠落后于中國，但也讓我們經歷了如此羞辱的歷史。
現在，我們還會繼續這么短視嗎？只有身邊看得見摸得著的才是利益。從長遠來看，看似空靈無邊與我無關。是這樣嗎？
當法拉第發現電磁感應并被麥克斯韋研究時，公眾可能會認為這與我無關。然而，當電能最終進入應用領域時，它給世界上每個人的生活帶來了難以想象的變化。
神經網絡、人工智能和量子計算也是如此。這些領域的專家早在20世紀60年代就開始研究，但現在他們終于進入了應用階段。在成熟的收獲季節，許多人開始突然意識到：啊，XX技術太強大了，太棒了！
他們不知道有多少科學家和先驅者付出了多少努力。
以雙子合并引力波事件為例，中國團隊也默默參與其中。LIGO的團隊得到了清華大學信息技術團隊的幫助。
中國科學院南京紫金山天文臺對觀測數據進行了詳細分析。
在南極，中國南極巡天隊利用昆侖站第二臺望遠鏡AST3-2觀察了雙中子星合并事件。
在太空中，中國第一顆空間X射線天文衛星-慧眼HXMT望遠鏡也成功監測了事件的發生。
未來，中國將探索引力波的頂級項目：天琴計劃將逐步完成。與LIGO相比，天琴計劃直接在太空中觀測衛星。
科學前輩們今天的努力對普通人來說可能毫無意義，但也許十多年或幾十年后，他們會讓人類生活得更好，讓人類的后代生活得更幸福。
我們曾經忽視和落后，我們失去了探索海洋的機會。現在，我們不能再失去探索太空的機會了。
