1700935359
21 注释 [:1700936870]
1700935360
22 版权信息 [:1700937024]
1700935361
1700935362
1700935363
Cover
1700935364
1700935365
1700935366
引力波：发现爱因斯坦广义相对论缺失的“最后一块拼图” 献给沃伦、吉布森和斯特拉
1700935367
1700935368
1700935369
1700935370
1700935371
引力波：发现爱因斯坦广义相对论缺失的“最后一块拼图” 没有什么比引领事物的新秩序更难把握、更冒险和更不确定的了。
1700935372
1700935373
——马基雅维利，《君主论》（1513）
1700935374
1700935375
1700935376
1700935377
1700935378
引力波：发现爱因斯坦广义相对论缺失的“最后一块拼图” [:1700935339]
1700935379
引力波：发现爱因斯坦广义相对论缺失的“最后一块拼图” 推荐序 引力波关乎你我
1700935380
1700935381
你的职业也许跟科学研究相去甚远，或许你只是出于好奇偶尔翻开了这本书，引力波的字眼你可能只是在新闻报道里听说过。但我想说的是这并不是一本介绍引力波天文和物理的高冷科普读物，实际上它在探讨人、自然与科学的关系。它关乎你我。
1700935382
1700935383
发生碰撞的这一对黑洞，一个质量是太阳的29倍，另一个是太阳的36倍。在碰撞之前，两个黑洞相互绕着对方运行，此时，两个黑洞之间的距离仅为数百公里，运行速度非常接近于光速。当它们最终碰撞时，最后变成了一个质量是太阳的60多倍的黑洞，相当于3倍太阳质量的能量瞬间通过时空以引力波的形式光速辐射出去。而13亿年后，地球上的探测器捕捉到了它们运行的最后4圈，只持续了200毫秒，探测器4公里干涉臂的长度发生了相当于质子直径千分之一的空间变化。这一系列的数字的确让我们领略了自然的神奇，人类从没有如此贴近和聆听自然，无论从大尺度的宇宙黑洞，还是甚至要考虑到量子噪声的探测器的微观变化——引力波给我们展现了一幅前所未有、波澜壮阔、叹为观止的宇宙和自然图景。
1700935384
1700935385
难道你不觉得，人类自身更神奇吗？1916年，爱因斯坦发表论文预测了引力波的存在；100年后的2016年，激光干涉引力波天文台（LIGO）科学合作组织1 000多名科学家成功实现了引力波的直接探测。100年来人类探索引力波存在的努力从未间断过，而其中经历的种种更是在这本书里娓娓道来，有合作、奋斗与荣耀，也有争执、猜忌和斗争，有血有肉、历历在目。2004年一个偶然的机会，我加入了美国麻省理工学院的LIGO实验室，而在此之前我根本不知道什么是引力波，但从此以后我也从没放弃过对引力波研究的追寻。直到2015年9月14日那个引力波信号到来的时刻，根本没人敢相信那是一个真实的信号，它简单得近乎荒谬，与理论推断得出的引力波没有任何显著不同。人类的理性与自然的神奇在那一刻达成了前所未有的默契，而其中经历的是整整100年的科学探索。LIGO的创始人雷纳说：“最重要的是，我了却了一桩心愿”。2006年，我从麻省理工学院回到清华大学信息技术研究院工作，搞引力波研究多少显得有些不务正业，引力波探测希望渺茫，我参与其中却也乐此不疲，究其原因我也说不太清楚。
1700935386
1700935387
自然是什么？人为什么会来到这个世界？每个人都有一颗与生俱来的好奇心。找一个寂静的下午，泡上一杯茶，放松一下你的身心，这是一本值得坐下来好好读读的书。
1700935388
1700935389
曹军威2017年6月于清华园
1700935390
1700935391
1700935392
1700935393
1700935394
引力波：发现爱因斯坦广义相对论缺失的“最后一块拼图” [:1700935340]
1700935395
引力波：发现爱因斯坦广义相对论缺失的“最后一块拼图” 第1章 黑洞碰撞
1700935396
1700935397
When Black Holes Collide
1700935398
1700935399
在宇宙的某个地方，两个黑洞发生了碰撞。这两个黑洞与恒星的质量差不多，体积却只有一般城市那么大，是真正意义上的黑洞（里面空荡荡的，没有一丝光）。在碰撞发生前的最后几秒钟里，它们在引力作用下一起绕着最终接触点完成了数千次的旋转，使时空发生了剧烈振荡。碰撞之后，这两个黑洞合并到一起，形成了一个更大的黑洞。黑洞碰撞是宇宙诞生之后威力最大的一个现象，释放出的能量超过1021个太阳。碰撞发生时一片黑暗，爆炸产生的所有能量都不会以光的形式逸出，所以用任何望远镜都无法观察到。
1700935400
1700935401
黑洞合并时，无数能量以纯引力，也就是引力波的形式，不停地向四周传播，时空受到扰动而泛起涟漪。但是，即使有宇航员正好在附近，他也不会看见任何异常现象。不过，他所在的空间会发生铃振现象，对他挤压、拉伸，使他的身形发生变化。如果靠得足够近，他的听觉器官会随之振动，也就是说，他可以“听见”引力波。在空无一物的黑暗中，他可以听见时空发出的声音（如果黑洞没有夺走他的生命）。引力波就像不需要物质媒介的声音，在黑洞相互碰撞时，就会发出这样的声音。
1700935402
1700935403
没有人听过引力波的声音，也没有任何仪器留下清楚无误的记录。虽然引力波以光速传播，但是从碰撞点传播到地球可能需要10亿年的时间。在到达地球之前，黑洞碰撞发出的声音已经非常微弱了，以至于用语言根本无法形容，如此微弱的声音我们肯定难以察觉。在引力波抵达地球时，空间的鸣响会引起距离的相对变化，在相当于三个地球并排的跨度上位移一个原子核的宽度。
1700935404
1700935405
半个世纪之前，一股记录天空中各种声音的潮流悄然兴起。LIGO是美国国家科学基金会（NSF，为基础性科学研究提供支持的美国联邦政府独立机构）迄今为止投入最多的项目，包括两台探测器，分别位于华盛顿州汉福德和刘易斯安那州利文斯顿，各占地4平方公里。LIGO的综合成本超过10亿美元，参与合作的全球科学家和工程师有数百人之多，是所在专业领域几十年来科技创新工作的一个标志性成果。
1700935406
1700935407
在过去几年里，为了提升探测能力，这两台机器都处于脱机状态。一名实验人员告诉我，机器的所有部件都被更换了，除了那个空空如也的管道（真空管）。与此同时，世界各地的科研团队都在进行紧张的计算，希望可以预测宇宙最喧闹的状态何时到来。理论学家则利用这段时间设计数据算法，创建数据库，并想尽办法充分利用这些工具。为了“在相当于地球周长1 000亿倍的距离范围内测量出比人的头发的直径还要小的变化”，许多科研人员全身心地投入其中。
1700935408