0、山言

? ? ? ? 這一篇摘錄札記是以前“科技袁人”系列做的關于『引力波』的科普。當時引力波的發(fā)現引起了不小的波瀾，因此科技袁人就做了一系列的科普視頻：

? ? ? ? 第3集小議引力波（上）——【up：科技袁人】——8:51

? ? ? ??第4集小議引力波（中）——【up：科技袁人】——5:56

? ? ? ??第5集小議引力波（下）——【up：科技袁人】——12:35

1、引力波大會

? ? ? ? 2017年12月18日，在由中科大上海研究院舉辦的上海引力波大會上，三位諾獎得主——雷納·韋斯（Rainer Weiss）、基普·索恩（Kip Stephen Thorne）、巴里·巴里什（Barry Clark Barish）——應邀參加。

（1）引力波是什么？

? ? ? ??簡單地說，引力波就是時空的波動。我們平常說的水波、聲波、電磁波等是物質波，是物質在時空當中的運動。而引力波是時空本身的波動。

（2）引力波概念提出的來由

? ? ? ? 牛頓時代人們認為時間是均勻地流逝，空間是均勻的綿延，即牛頓的絕對時空觀。但十九世紀有一個著名實驗：邁克爾孫-莫雷實驗。按照絕對時空觀，由于地球的自轉和公轉，地球上不同經度和緯度方向上測量的太陽光的速度是不同的，但是實驗結果證明光的速度完全相同。

? ? ? ? 直到1905年愛因斯坦認為應該將“光速不變”作為一條基本原理，并據此推出狹義相對論（Special Relativity）（一共兩條原理，另一條是相對性原理，即所有的物理規(guī)律在任何的慣性參照系當中形式都是相同的）。狹義相對論有許多推論，例如鐘慢效應、尺縮效應、質能關系等。之后就將時間和空間混合到一起研究，將時間和空間對應到xy軸上進行研究，而參考系變換就相當于坐標變換。

? ? ? ? 之后，愛因斯坦又發(fā)展出了廣義相對論（General Relativity），廣義相對論解答了在非慣性參考系（即有加速度的參照系）中物理規(guī)律的變化。而引力波就是廣義相對論中的成果。廣義相對論描述物體運動——首先任何一個有物質的物體都會使時空產生曲率；然后物體沿著有曲率時空當中的短程線運動，若無曲率則短程線是直線，而有曲率則短程線是曲線。因此引力現象的本質是，質量產生曲率而物體做短程線運動。

（3）引力波與時空的曲率

? ? ? ??引力波這里的波動具體指的是時空曲率的波動。即我們存在的時空不是平的，而是有曲率的。從而很多現象看似是由于引力產生的變化，實質是由于質量使時空產生曲率而產生變化。觀察引力波就是設法觀察時空曲率的波動。

? ? ? ? 但是應該怎么觀察時空的曲率呢？如果是一張紙，要判斷是否是平的，很簡單，站在外面看一眼就知道了，但是我們的難點是我們身在時空中，不能跳出時空觀察，因此需要一些手段。例如畫一個三角形測量內角和是不是180度；畫個圓測量周長看是不是半徑的2π倍；即判斷是否滿足平面幾何定理。如果是凸面，那測量三角形內角和的結果將大于180度；如果是凹面，那測量三角形內角和的結果將小于180度。

? ? ? ? 因此我們可以考慮通過實驗來確定時空的曲率?？臻g中的每一點都有一個曲率，而這個曲率是由物質的質量分布決定的，即由質量決定曲率，再由曲率決定運動。

? ? ? ? 其中引力正比于物體的質量，引力產生的效應是給物體提供加速度，而加速度等于力除以質量，質量又被除掉了，從而在這一角度下質量和加速度又沒有關系了，即可以看做引力等價于一個有加速度的參考系。根據這個等效原理（可以這樣理解當你在一個遠離所有引力的飛船上，但當飛船以地球重力加速度飛行時，你是無法判斷你是在地球上還是在飛船上，即使此時飛船不受任何引力）我們可以將狹義相對論推廣到廣義相對論。

2、引力波觀測

（1）觀測引力波的難度

? ? ? ? 觀測引力波是觀測使空間任意兩點之間距離的變化，這個變化極小，例如2016年兩個黑洞合并相當于三個太陽質量的能量放出，產生的引力波到地球時產生的效果是空間兩點產生10^-21次方的變化。實驗儀器是長約4km的干涉臂，即只有4×10^-18m，原子核的大小是10^-15m，這個變化只相當于原子核半徑的千分之一。

（2）引力波的特點

? ? ? ? 引力波無法屏蔽，可以傳遍全部宇宙。由宇宙大爆炸產生的原初引力波原則上也可能會被觀測到。因此《三體》中有關于將引力波作為傳遞信息工具的描述，目前來看引力波可以傳遍宇宙這一點很好，但是接收引力波比較困難。

? ? ? ? 另外，目前認為引力是由引力子傳播的，觀測到引力波但是由于理論上引力子數目極為龐大，難以觀測到單個的引力子。

3、引力波探索者

（1）探索者

? ? ? ? 講座中雷納·韋斯（Rainer Weiss）負責將科學理論；基普·索恩（Kip Stephen Thorne）是理論家負責講雞湯八卦；巴里·巴里什（Barry Clark Barish）負責講管理。

? ? ? ??——約瑟夫·韋伯Joseph weber（1919-2000），早于60年代就試圖用韋伯棒（一種鋁棒）探測，其至死都認為自己探測到了引力波，但應該不是。

? ? ? ? ——還有一名開創(chuàng)者英國物理學家羅納德·德雷弗Ronald William Prest Drever（1931-2017），未能等到諾貝爾頒獎，而無緣諾獎。

? ? ? ? ——基普·索恩（Kip Stephen Thorne），13歲時讀到喬治·伽莫夫所著的《從一到無窮大》從此立志科學。其剛開始并不相信能夠探測到引力波，但是在其試圖“挽救”雷納·韋斯，希望能將其從探測引力波的大坑中解救出來時，結果被雷納·韋斯說服了，然后也義無反顧的一起跳進去了。

? ? ? ? ——LIGO激光干涉引力波探測儀（The Laser Interferometer Gravitational -Wave Observatory）。剛開始LIGO精度不夠，后升級為Advance LIGO，精度提高10倍，僅升級兩天就發(fā)現了引力波。

（2）科學之火

? ? ? ? 四百多年前科學只是小小的火種，但是人類一旦開始科學的征途就絕對不會停息，最終科學會證明自身才是最強大的力量。好奇心是人類的天性之一，對科學的追求并不違反人性，而是人性中最寶貴的部分。

? ? ? ? 【山言】在這一期我終于知道“成功不必在我”的正確出處以及后半句，由于這句話變種太多，以前在網上搜了半天，沒搜到地。這次看視頻終于搞清楚了這句話的來龍去脈。這句話是出自《1932年6月給北京大學畢業(yè)生的講話》原載于1932.7.3《獨立評論》第7號，原文“天下沒有白費的努力。成功不必在我，而功力必不唐捐?！薄敖袢盏氖?，都由于過去的不努力；今日的努力，必定有將來的大收成?！?/p>