2月27日下午，由未來論壇、清華大學“新世界·新視野”公眾論壇、清華大學時代論壇聯合主辦的“解密引力波——時空震顫的漣漪”講座在清華大學大禮堂舉行。限于場地，諸多熱心聽眾無緣到場參加講座。在此，我們特為大家奉上加州理工學院物理學教授、美國物理學會會士、LIGO科學合作組織核心成員及引力波論文作者之一陳雁北教授和清華大學信息技術研究院研究員、清華大學天體物理中心兼職研究員、LIGO科學合作組織核心成員及引力波論文作者之一曹軍威教授演講全文（略有刪減），以饗讀者。
至于很多讀者關心的本期講座視頻，正在由工作人員進行后期剪輯，完成后會第一時間放出，敬請期待！
主講嘉賓介紹
陳雁北，加州理工學院物理學教授，美國物理學會會士。1999年畢業于北京大學物理系。2003年在Kip Thorne指導下從加州理工學院獲得博士學位。2004年到2008年在德國馬普引力物理研究所（愛因斯坦研究所）擔任科學工作者，獲德國洪堡基金會頒發的Sofja Kovalevskaya獎資助，組建并領導青年科研團隊。2007年回加州理工學院任助理教授，2013年升任正教授。
引力波的緣起
講到引力波，開始要談到的是時空這一概念。
愛因斯坦認為：在研究物理的時候，要把時間和空間放在一起考慮。比如空間的坐標上畫了30萬公里、60萬公里的格子，時間上畫了1秒、2秒的格子，光線就沿著30萬公里/秒的速度傳播。從坐標原點出發的光線在時空中掃出光錐，在光錐內部就是從坐標原點到達的所有范圍，就是坐標原點未來的區域。不管以什么樣的速度看，只要在光錐內部的世界，永遠都是坐標原點的未來。
在光錐外面的世界是不一樣的，比如在60萬公里以外，距離現在1秒的事件，這個世界在現在的坐標系看來是在坐標原點的未來。但是，如果我有速度非常快的汽車，在汽車看來，這個事情發生在現在的坐標原點以前，這就是同時性的相對性。時空的概念可以用來解釋構造一個自洽的電磁波理論。
但是，牛頓的萬有引力是瞬時傳播的，它跟狹義相對論是矛盾的。愛因斯坦在1905年以后開始思考怎么才能把狹義相對論和引力統一在一起。
引力是非常特殊的相互作用，不同的物體在引力場中下落的加速度是一樣的。這個特點對于電磁理論是完全不適用的，不同的帶電粒子在磁場中的加速度完全不同。愛因斯坦看到了這一點，他決定引力是可以由彎曲的時空幾何來實現的。具體的說，愛因斯坦理論中的引力是這樣的：如果有一個有質量的物體，把它放在時空中，它就會讓時空彎曲。
上面的這個網格就代表了一個彎曲的曲面。上面看起來是彎曲的線，如果在曲面上局部看，反而是最直的一條線。這樣最直的線叫做測地線。如果讓各種不同材質的物體都按測地線運動，就可以解釋這些物體在引力作用下的曲線運動，并且可以解釋等效原理。
愛因斯坦提出了愛因斯坦方程來描述這個現象，左邊（上圖公式）代表時空的幾何結構，右邊（上圖公式）代表時空中的能量和動量的分布。
1916年，數學家發現了廣義相對論的第一個解，后來的科學家發現這個解是一個黑洞。在數學上，黑洞是一個很簡單的東西，它把時空分成兩部分，黑洞所謂的視界是只能進入沒辦法逃出的曲面，是一個球。在外面只可以進入視界之內，從視界之內逃不出視界。
把光錐的概念用到黑洞的時空上，我們能看到的現象就是視界把時空分成兩部分—黑洞的內部和黑洞的外部。在黑洞的內部，光錐的所有部分都是朝著黑洞中心走。在黑洞內部，你的未來完全在黑洞里面，不可能到達黑洞的外面。你在視界上，你的未來的邊界在世界上，你還是不能逃出這個視界。在視界外面，當你距離黑洞越來越遠的時候，你的未來區域里面就有更多的部分可以逃到無窮遠處。從另外一個角度看，所謂的視界，就是黑洞外面能被遠處觀察者看到的時空區域的邊界。
黑洞還有另外一個性質就是“時間停止”。當地球上的旅行者從地球出發到達黑洞附近，如果他到達的是黑洞附近非常非常近的距離，他再回到地球的時候就會發現地球人的時鐘已經過了很長時間，而他自己的時鐘只過了很短的時間，這是時間變慢的過程，在黑洞視界上的時間是完全停止的。
用另外一個角度，物理學家會用嵌入圖的方法表示黑洞。這個曲面可以類比成剛剛看到的網格曲面，只不過這是黑洞外面空間的彎曲的表示。離黑洞越近，這個空間越彎。在這個圖上不同的顏色標志著時間流動的速度。在外面，時間流動是正常的。在黑洞的視界附近，時間流動是停止的。這個圖表示了黑洞附近的時空的彎曲，是非常極端的彎曲。因為時間在這里是停止的，而且視界是只能進不能出。
科幻作品中的黑洞讓大家產生很多的想象。這個圖是把黑洞放在星空的背景上，所有的星星發射的光線被黑洞彎折以后，我們看到非常奇怪的景象。
這些畢竟是數學上的計算，黑洞真的是存在的嗎？
天文學家已經在銀河系的不同部分，甚至在其他星系發現了黑洞。
在6000光年外的天鵝座X-1的物體，根據天文學家的觀測，認為是一個含有黑洞的系統。天文學家推論出這個黑洞的質量是太陽的9倍。天文學上，這叫做恒星質量黑洞。
在天文學中有另外一種完全不一樣的黑洞。天文學家通過推算在星系中間運動的星體的軌跡，在銀河系中心也發現了一個黑洞。1995年-2008年期間，根據在銀河系中心周圍運動的星體的軌道，可以推算出中間有一個400萬倍太陽質量的黑洞。天文學家發現，在很多星系的中心都有這樣所謂的超大質量的黑洞。
黑洞是廣義相對論的重要推論，天文學家用種種方法判定了有些很可能是黑洞的物體。
廣義相對論的另一個推論——引力波
1916年，愛因斯坦在他的方程中發現了所謂的弱引力場下的解，這個解便描述了引力波。從類比的方法來看，引力波很相似于水面上的波動。當水面震蕩的時候，它的震蕩會以水波的形式傳播出去。類似的，時空幾何的振蕩也會由引力波的形式傳播。不同的是，在愛因斯坦方程中，引力波是按照光速傳播的。
引力波對物質的作用是怎樣的？可以類比水波的圖象。水波有一個波長，考慮在半個波長以內的浮在水面上的船。這些船隨著水波上下運動，距離比較近的船，他們由水波導致的高度差就比較小，而距離比較遠的船，由水波引起的高度差就比較大。
引力波也是很類似的現象，兩個自由下落的物體，當引力波入射的時候，這兩個物體之間的距離會產生變化。產生距離變化的比例是引力波的振幅h。也就是說，距離為 L的兩個物體，在引力波入射時，他們的距離變化大約是Lh。只要在波長以內，他們的距離越遠，引力波導致的距離變化就越來越大。
更詳細地說：引力波是一個橫波，它影響的是跟引力波傳播方向垂直平面之內的距離。沿著引力波方向的距離是沒有變化的。
垂直于引力波傳播方向的平面上的物體，它們之間的距離會按一定規律變化。物理上說引力波有兩個偏振，也就是兩種不同的模式。這些物體本來是一個圓環上，當引力波入射到達垂直屏幕的時候，這些圓環上的物體在一種偏振下是按照這種模式振蕩。在另外一種模式，是側的45度的模式。
引力波的數學發現以后，大家就考慮，引力波的物理效果是否可以被觀測到？通過愛因斯坦的計算，他認為引力波是非常難產生的現象。產生足夠大的引力波需要非常大質量的或者是非常高能量的物體以非常快的速度運動。
但是，這也沒有阻礙美國科學家韋伯在上世紀60年代進行的實驗。他的目標并不是地面上產生的引力波，而是天體物理中的物體產生的引力波。他用所謂的共振法，用一個鋁棒，它本身有一個共振頻率。如果引力波是以共振頻率入射，共振頻率的引力波就會導致鋁棒的振蕩。他想通過檢測裝置探測到鋁棒的振蕩。
在韋伯的實驗中，號稱探測到了很多引力波的信號。但是，他的實驗有兩個問題：一是沒有辦法重復，二是他探索到的信號也沒有天體物理的適當原因可以解釋。所以大家普遍認為他的引力波探測是沒有成功的。然而，他開創了引力波探測領域。
在70年代，有人發明了另外一種測量引力波的方法，用激光干涉的方法來測量。激光打到一個分束鏡，分成兩束，沿著很長的距離傳播以后，在鏡子上分別反射，打回到分束鏡上。如果兩束的臂長一樣，這兩束打回來的光會在分束鏡上合成一束從入射口回去，另外一口是沒有光的。但是，如果有引力波，鏡子的位置改變，導致的位移就會導致兩束返回的光在分束鏡上的相位有所變化，導致在沒有光的口會產生信號光。把信號光檢測出來以后，就可以探測出引力波。這種方法的好處是可以使臂長變得很長，越長就越可以放大引力波導致的鏡子的運動。光學方法本來就是有益于精密測量的方法。
90年代，美國國家科學基金會資助了世界上第一個大規模的引力波探測項目，所謂的LIGO。
LIGO有兩個非常大的探測器，一個是Livingston，一個在Hanford。
干涉的靈敏度，對鏡子位置的測量達到10＾-18米。怎么形容呢？如果考慮頭發絲的細度是10＾-6米，降低1萬倍就變成氫原子是10＾-10米，再減少10萬倍，就是氫原子核，是10＾-15米。最后得出的結論，這個長度是氫原子核大小的1/1000，是非常靈敏的儀器。
既然可以測到這樣靈敏的位移變化，要保證沒有其他因素可以導致比這個大的干擾信號。一個必要條件是將光干涉系統放在非常高的真空里，防止氣體分子對激光傳播的影響導致虛假的信號。另外就是要把反射光的鏡子懸掛起來，把鏡子和地面的振動完全隔離開。這樣就可以形成靈敏度非常高的引力波探測裝置。
利用這個裝置，在2015年9月14號，我們用這兩個探測器分別發現了兩個時間為0.2秒的引力波事件。這個圖是將兩個信號以0.7毫秒的時延錯位以后，發現他們的波形也在很大程度上吻合。
從波形中分析出這個事件是由兩個黑洞碰撞而導致的。它們兩個的質量是36倍和29倍的太陽質量，最后形成的黑洞是62倍的太陽質量。通過波振幅的大小可以推算出這個事件離地球的距離是13億光年。通過這個波形，也對廣義相對論的推論進行了初步檢驗。
這次觀測的數據是從去年9月份到今年1月份觀測數據的一部分，還有很大一部分是需要處理的，期待著有更多的雙黑洞碰撞事件。
在統計學意義上，單位宇宙體積中，單位時間碰撞事件發生的概率是一定的。把儀器的靈敏度提高，可以看到宇宙中更遠位置上的雙黑洞，看到更大的體積中的所有的雙黑洞的碰撞。只要把靈敏度提高2倍，就可以把觀測體積提高到8倍。這樣雙黑洞事件出現的概率就會提高8倍。
除了雙黑洞的碰撞過程，地面引力波探測還可以探測各種各樣的天文事件，比如雙中子星的碰撞過程。在LIGO看到雙中子星碰撞的過程，這對我們理解中子星的結構探索伽馬射線暴的根源是有指導性的。
在LIGO還可以探索宇宙弦系統，是早期宇宙中有可能形成的拓撲缺陷，能量分布呈不均勻的
脈動的弦狀結構。最后也可能對宇宙大爆炸開始時產生的原初引力波背景進行探索。
除了地面引力波探測，未來還會進行多波段引力波天文學的研究。比如歐洲的愛因斯坦探測器是第三代的引力波探測器，可以在可以覆蓋1赫茲-10千赫茲。空間引力波探測可以探測到0.1毫茲-1赫茲之間的引力波，可以觀測到星系中心超大質量黑洞碰撞的過程。這對于星系的形成演化是非常重要的。
今天的引力波探測只是一個起點。在未來，我們會有多波段的引力波探測，說明今天的引力波探測不但是廣義相對論和黑洞的直接驗證，也可以說是新的天文學觀測手段。
主講嘉賓介紹
曹軍威，清華大學信息技術研究院研究員、清華大學天體物理中心兼職研究員，清華信息科學與技術國家實驗室（籌）公共平臺與技術部主任。1991年至1998年，清華大學自動化系本科、碩士畢業；2001年英國Warwick大學計算機博士畢業；2002年至2006年先后在德國NEC歐洲實驗室和美國MIT/LIGO實驗室任Research Scientist；2006年回清華工作至今，主要從事先進計算技術及其應用研究。
剛才陳教授把引力波的探測、原理、實驗這些部分都給大家做了非常系統的介紹。我花幾分鐘的時間結合我們參與引力波探測工作的實際工作，簡單介紹一下數據分析這部分。
科學家實際上最后看到的信號是從數據分析系統中看到的。這里面顯示的是一個在線的分析，這樣的天文臺的實際情況，它的靈敏度曲線，它的一些突出事件的信息，都非常快地、實時地反映在控制室里面，這個我們叫在線的數據分析。
另外一個方面，還有離線的數據分析，那就是我們需要大量的計算機，大量的存儲，分布在全世界各個研究機構，讓大家共享一些資源，我們叫離線的數據分析。
看到這個信號在數據分析里面是一個什么樣的過程呢？簡單給大家介紹一下。
這個事件發生在2015年9月14號，第一個message是2015年9月14號5點54分，在信號發生3分鐘以后，我們的在線的程序流水線，就探測到了這個信號，這個流水線我們叫Coherent Waveburst，CWB流水線，很簡單的在線測量信號的能量。如果兩個天文臺有這樣的一致性，我們就把這個事件作為一個候選人拿出來。在3分鐘之內，我們沒有模型的流水線就拿到了這樣的信號。
我們做了一個工作就是，我們清華大學參與到CWB流水線工作里邊去，從我們計算機自動化的角度，我們用GPU的技術，加速了CWB的運行效率。原理很簡單，我們把程序拿來，看到它由很多部分組成，我們把其中我們認為能夠加速的部分拿出來，而且把加速效果最好的部分拿出來，可以把它的運行效率提高十倍甚至更高。
除了沒有模型的流水線，我們還有一些流水線，比如我們叫CBC的流水線。它就是說我可以有一些模型，用這些模型去比對這些數據。實際上這個就是最后的結果，大家看到這個事件在最后的分析里邊，最后是非常顯著的，它的信噪比達到了23以上，它的標準的希格瑪值達到5以上，通常5以上就被認為是發現。這里面無論是沒有模型的分析，還是有模型的分析，實際上最后都達到了這樣的顯示度。
這里面我們做的一個工作，對于這個背景到底怎么計算。一種計算方法，我們沒有其他的數據，我們只能拿到一個月的數據去做背景，然后看這個信號跟背景對比來講它是一個什么樣的關系。一種是我們把信號放在背景里面，我們做出一個背景。這個就是綠的這條線。一種是我們把信號拿出去，再做一個背景。這樣兩個背景不同的計算方式，對于我們來判斷是不是一個信號，起到了不同的作用。
還好在這次發現里面，無論是哪種方法，實際上這個信號都是非常突出的。我們對這個系統誤差的方法做了一定的工作。
下面還有一個工作，我們同樣用GPU的方法，把有模型的比對流水線也進行了加速。這個工作是我們跟西澳大利亞大學一塊開展的工作。這個流水線在線的時候沒有看到信號，原因是他們在線的時候是在搜索更小質量的雙星系統。反過頭來，他們在離線反過來處理這個數據，驗證了這個信號的信噪比確實是非常突出的。我們用GPU加速的流水線，可以把它的處理速度提高50幾倍，目前為止能夠提高到120幾倍。這是我們清華大學其中的一個工作。
另外大家問到比較多的，我們現在儀器的靈敏度達到了一定的程度，我們能夠探測到引力波信號。實際上在很長一段時間內，我們的探測器探測不到引力波信號，這時候數據分析做了一項什么工作呢？數據分析就是在做我怎么來分析這些噪聲，這些噪聲到底來源在哪兒，通過分析這些噪聲的來源，比如像飛機飛過，或者一輛火車開過，都有可能影響我們的探測器的動作。所以說我們通過噪聲的分析，可以提高儀器的靈敏度，可以幫助儀器來提高靈敏度的話，也是數據分析的貢獻。
我們這里就采用了一種計算機里邊的人工智能的方法，來進行噪聲分析。我們來分析各個不同頻段的、不同信道數據之間的關聯程度。如果一個信道跟引力波信道關聯性特別強，說明這個信號可能不是引力波信號，而是由關聯信道的干擾導致的。所以我就可以用這些關聯信道的事件來否定引力波信道的一些事件。所以這里邊就是大量的數據比對和關聯分析，而這種關聯可能不是一個信道和一個信道之間的關聯，而是很多環境信道跟引力波信道的關聯。這個關聯關系計算機是非常有優勢來做的。這也是從我們自己的學科背景，撇開天文物理的意義，我們從數據出發去做數據，得到的研究結果。
最后，我們也是參與到了整個引力波數據的計算平臺工作，因為引力波數據量雖然沒有高能物理那么大，但是也是PB的量級，也是很大，在LIGO各個合作組織里面，有幾PB的數據分散在各個地方，這樣全世界有幾百萬的科學家訪問這些數據，這樣的平臺也是我們參與做的。
還有一項工作，我們在跟澳大利亞合作的過程中，全球網絡未來是一個非常重要的方面，由于有全球網絡，可以提高探測的精度和定位的精度。比如說我們給澳大利亞做了一個預言，澳大利亞有這樣的天文臺，精度可以從左邊這張圖變成右邊這張圖，如果每個點來源是從這兒的，是可以比較精確地來預測這樣的來源，而不僅僅是它的來源是一個區間，這樣就不夠精確。
在LIGO的合作組織中，我們清華大學只是其中一個成員，有幾十個單位，幾百個科學家參與，有一部分是做儀器的，更多科學家是做數據分析相關工作的。這次發現我們也是非常有幸參與到其中，可以說2016年2月11號，我們宣布了這樣一個發現，我們也是非常自豪有這個機會來見證，包括跟在座的各位來見證這樣一個事件。
多年以后，面對浩瀚星海，遠航的星艦文明將會回想起2016年2月11日，人類公開宣布首次探測到引力波信號的那個遙遠夜晚。
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