引力波

引力波关乎你我

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。

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*终碰撞时，*后变成了一个质量是太阳的62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*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。

然而你不觉得，人类自身不是更神奇吗？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1000多名科学家宣布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生动的娓娓道来，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：“*重要的是，我了却了一桩心愿”。我2006年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，想想为什么我也说不太清楚。

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。

曹军威

2017年6月于清华园

（美国）珍娜?莱文（Janna Levin）

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）的科学总监。

她一直致力于黑洞、宇宙的额外维度、时空与引力波的研究，出版过《宇宙溯源》（How the Universe Got Its Spots）、《图灵机狂人梦》（A Madman Dreams of Turing Machines）等著作。

2011年3月，她发表了TED演讲《宇宙的声音》（The sound the universe makes）。2012年，她获得古根海姆奖。

推荐序 

V

第1章 黑洞碰撞 6

第2章 宇宙的声音 9

第3章 广义相对论 23

第4章 引力波探测先驱 36

第5章 错误的宣言 47

第6章 “40米”实验室 56

第7章 蓝皮书与三巨头 64

第8章 发现脉冲星 74

第9章 实验室里的开拓者 82

第10章 汉福德天文台 90

第11章 臭鼬工厂 101

第12章 霍金的赌局 114

第13章 罗生门事件 122

第14章 利文斯顿天文台 131

第15章 一群探索宇宙奥秘的人 143

第16章 与时间赛跑

十几亿年前，在浩瀚宇宙的某个时空，两个黑洞发生了碰撞。其中一个黑洞的质量是太阳的29倍，另一个是太阳的36倍，它们碰撞后合并成一个大黑洞，质量达到太阳的60倍。黑洞碰撞是宇宙起源以来威力*大的天文事件之一，释放出的能量超过1021个太阳。黑洞合并时，无数能量以引力波的形式，不停地向外传播，在时空中荡起层层涟漪。

1916年，阿尔伯特?爱因斯坦在一篇关于广义相对论的论文中预言了引力波的存在。2015年9月，引力波经过长达14亿光年的星际旅行来到了地球。

从伽利略用一架简陋的望远镜观察太阳开始，人类利用400多年来所拍摄的一系列静止的太空照片，汇编成一部讲述宇宙历史的无声电影。然而，所有望远镜都无法记录黑洞碰撞的过程，人类能够捕捉到的*线索可能就是时空振荡发出的声音。

半个世纪之前，一股记录宇宙声音的热潮悄然掀起。为了“在相当于地球周长1000亿倍的距离上测量出比人的头发丝直径还要小的长度变化”，为了给宇宙历史这部无声电影配上一张原声大碟，许多科研人员全身心地投入到引力波探测实验当中。

2015年9月和2016年2月，激光干涉引力波天文台（LIGO）两次成功探测到引力波，证实了100年前爱因斯坦的预言。

在《引力波》一书中，作者珍娜?莱文再现了50多年来，LIGO科学合作组织的科研人员在此过程中面临的困难、经受的考验和付出的艰辛。引力波探测本来只是一个有意思的思想实验，但引起了雷纳?韦斯、基普?索恩和罗纳德?德雷弗的注意。为了把梦想变成现实，他们组建了一支规模达数百人的国际性研究团队，建造了两台灵敏度非常高的巨型探测器。他们一直在跟时间赛跑，希望在爱因斯坦提出引力波概念100周年纪念日到来之前，能聆听到来自遥远太空的“引力波蓝调”。

珍娜?莱文在《引力波》一书中将这个精彩程度不亚于《星际穿越》的故事娓娓道来，以引人入胜的笔触为我们描述了其间的惊奇、失望、成就、风险和人性。

《引力波》是一部关于引力波的编年史，有情节，有声音，更有温度。