10分钟，了解引力波
昨晚10点，世界上数十家著名的天文机构也发布了一个重大消息：人类第一次直接探测到双中子星合并的引力波。
有些人可能会说，引力波不是在去年2月就被发现了吗？它是如何再次宣布的？
这是因为这两次引力波发现事件的性质不同，所以意义不同。如果用一句话简单总结一下，那就是人类之前只感受到引力波的存在，而这一次，是认真的“看到”。
今天，睡眠将简要普及引力波和引力波观测的知识。别担心，它将使用最通俗易懂的语言。
什么是01引力波？
如果把我们的宇宙比作一座巨大的公寓楼，那么各种完全不同的物质就像一个脾气完全不同的租户。这些“租户”怎么能和睦相处呢？
宇宙公寓楼提供了四项最基本的规定，所有租户都必须遵守这四项基本规定。是的，这是宇宙中最基本的四种相互作用：“引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用”。
这四种相互作用，也被称为“自然四力”或“宇宙基本力”。直到今天，在物理学的帮助下，所有关于物质的物理现象都可以用这四种基本相互作用的机制来描述和解释。
在这四种相互作用中，电磁力、强力和弱力在上个世纪中期就被探测和证明了。只有引力在理论上一直存在。关于它存在的证据是：引力波尚未被发现。
为什么会这样？
因为引力太弱了。根据四种基本力的相对强度：如果引力强度为1，那么，即使名称中有“弱”弱，也有10的25倍。电磁力和强度分别是10的36倍和10的38倍。
所以如果你不知道，你会发现引力波的作用太弱了。
那么，引力波是什么样的波呢？
在爱因斯坦的广义相对论中，我们可以用一种更生动的方式来解释：时间和空间的弯曲，或由高质量的物体加速运动产生的波。
如果你把时间和空间想象成一个巨大而平坦的沙发，那么当你坐在沙发上时，重量自然会导致沙发凹陷。如果你旁边有一个小球，那么小球也会因为你的重量而滚到你身上。
而且，体重越大，沙发上的凹陷越大，效果越明显（别担心，睡眠不会让你减肥……）。
另外，如果你坐在沙发上，通过超高速摄影一帧一帧慢放，你会发现沙发上的凹陷是从内到外逐渐扩散的，呈现出波动的形式。
如果用更明显的例子，当你把一块石头放在一个平静的湖里时，它会以石头进入水中的地方为中心，产生一圈又一圈的涟漪。这种涟漪类似于引力波的作用。
显然，如果以宇宙时空为背景，一块石头或一个人引起的引力波几乎可以忽略不计。更不用说被几十亿光年之外的感知了。
也就是说，只有那些巨大到不可思议的天体，在产生惊天动地的天文现象时，释放出来的引力波，才能被我们捕捉到，远离十亿光年。
例如，超新星爆发产生的引力坍缩和伽马射线暴，如FAST不久前发现的脉冲星，如双星系统的合并，如双黑洞（去年），或双中子星的合并，这是昨天刚刚发布的引力波观测事件的起源。
如何捕捉引力波？
事实上，即使黑洞合并了这样一个震惊宇宙的大事件，当引力波信号到达地球时，它的强度也很小。
到底有多小？
引力波振幅的数量级小于10负21次方，只有氢原子的100亿分之一。
振幅小到这个尺度的波动信号，更别说蝴蝶振动翅膀了，就是蝴蝶放屁相当于海啸…
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台。是的，从名字上可以看出，LIGO之所以能捕捉引力波，是因为光的干涉原理。
虽然干扰原理是初中的物理知识，但很多人都忘记了。没关系。我会帮你回忆起，如果两束光波在传播过程中重叠，就会出现新的波形。如果是峰谷叠加，新的波形会更强(下图左侧)。如果峰谷相抵，新的波形甚至会消失(下图右侧)。
体现在光强上，最亮的地方会超过原两束光的光强之和，最暗的地方光强可能为零，称为“干涉条纹”。
在引力波的影响下，会有轻微的光波波形变化，当时光探测器可以感知到干扰条纹的变化。最理想的状态是从零开始，最初完全相互抵消，如果受到引力波的影响，就会形成干扰波形图案。
看起来又矮又油，不错，但实际操作起来非常非常困难。因为地球上有太多的电磁噪声干扰，这些干扰本身比重力波大得多。如何解决这个问题？
除了一些顶级的抗干扰方法(比如新LIGO的悬垂稳定器，提高了10倍的精度)，LIGO还有另一个解决办法，那就是我复制自己。
事实上，真正的LIGO系统有两个完全一致的设备，分别位于华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的利文斯顿，相距3000多公里。这样，超级计算机就可以比较收集到的数据，并通过算法消除大量的干扰信息。
因为，同时会影响两地之间的波动信号，基本上来自太空，所以去除地面的人工信号更容易筛选。
除此之外，LIGO本身也是人类历史上最精密的仪器。
首先，为了获得更清晰的干扰波形，激光强度需要足够大，即功率需要足够大，所以增强激光功率的方法是让激光通过许多镜子来回反射。
LIGO的每一面镜子都有超乎想象的反射率。这些纯二氧化硅制成的反射镜，每300万光子射入一次，只剩下一次，剩下的光子都会反射。
此外，LIGO本身的激光臂有4公里长，但精度远远不够。激光需要400次反射才能达到最终的强大功率，也就是说激光臂的最终长度是1600公里，这样惊人的长度才能达到最终的精度。
是的，当你乘以10-21次和1600公里的引力波振幅时，最终的数据尺度大约是单个质子半径。虽然它仍然很小，但至少足以捕捉到引力波的存在。
03这次引力波检测有什么区别？
昨天公布的引力波探测事件是两颗中子星合并时释放的引力波。之前观察到的是两个黑洞合并释放的引力波。
简而言之，它们有两个区别：
第一点是双中子星合并，产生更强的引力波信号。虽然中子星的质量比黑洞小得多，但它们比黑洞长得多，可以持续一分钟以上，而黑洞合并的引力波信号通常只持续一秒钟。
好吧，持久就好~
第二点是，当双黑洞合并时，由于黑洞的巨大重力，任何光波都无法释放，也就是说，这个事件是真正的“黑色”，我们只能根据其他现象推测它，但不能真正“看到”。
双中子星的合并是不同的。它不仅会释放大量的短伽玛射线暴力，还会发出巨星辐射。换句话说，我们的天文望远镜将观察到大量的电磁信号。
也就是说，结合引力波和电磁波，我们对观测有一个双保险参考，可以通过电磁波准确定位天文现象的位置。
嗯，每个人都可能听说过黑洞，所以中子星（neutronstar）又是什么？
当恒星的寿命即将结束时，其核心中的氢、氦、碳等元素在100亿年的核聚变反应中已经耗尽。最后，当热辐射效应逐渐下降，压力不再足以支撑外壳时，就会发生坍缩和剧烈爆发。
根据恒星的质量，从小到大最终会演变成白矮星、中子星或黑洞。
中子星的直径一般为10-20公里，但每立方厘米的物质重量可达10亿吨，因此其重量可达太阳的1.35-2.1倍。也就是说，中子星的密度与原子核基本相同。
此外，中子星的自转速度非常快，可以达到一秒一圈。
你可以想象一个直径20公里，有两颗太阳这么重的星体，一秒钟就能转一圈。这是什么场景…
正是因为旋转速度非常快，中子星本身的磁场非常强。旋转过程中产生的电磁波辐射每次扫过地球时都会形成高频信号脉冲。这种中子星也被称为“脉冲星”（Pulsar）”。就像迪厅里快速旋转的彩灯…
值得一提的是，世界上最大的单口径（500米）射电望远镜，位于中国贵州的FAST望远镜，一周前刚刚检测到数十个高质量的脉冲星候选人，其中6人通过了国际认证。
这也是中国射电望远镜首次发现脉冲星。
正如我们在上面所说，脉冲星本身就是引力波产生的重要来源，也就是说，LIGO很有可能在未来发生、VIRGO(相当于欧洲LIGO)发现引力波的存在，然后从FAST等天文望远镜观察到那个位置，最终发现脉冲星、中子星合并等罕见的天文现象。
这次中子星合并就是这样一个故事:
8月17日，LIGO和VIRGO的三个探测器接收到一个引力波信号。仅仅1.7秒，NASA的费米卫星就发现了伽马射线暴。然后智利的SWOPE望远镜在星系NGC4993中观察到了明亮的光学源。
这三者证实了宇宙中一件大事的发生(实际上发生在1.3亿年前，但信号刚刚到达地球……)
因此，在接下来的几周里，世界上所有著名的天文台都将望远镜对准了该地区，并争先恐后地记录了天文数据，即两颗中子星的前世和今生：
在距离地球1.3亿光年的长蛇星系NGC493中，两颗中子星互相吸引，越来越近。最后，他们决定合身，以获得生活的伟大和谐…
合并前100秒左右，距离400公里，每秒绕12圈(这个速度啧啧)，向外辐射引力波。几秒钟内，它们变得越来越近，直到它们最终合并在一起，产生剧烈的冲击，形成新的天体，并发出电磁辐射。
LIGO发现的是合体事件的引力波；世界主要天文台发现的是合体事件的电磁辐射。
双中子星合并，最终变成了什么？
目前还在观察中，一种可能是变成了更大的中子星，一种可能是变成了黑洞。
04引力波的发现有什么意义？
我认为公众最关心的可能是这个。
但说实话，就目前而言，除了在天文、物理等顶尖领域具有重要意义外，对普通人来说并没有直接意义。
也许很多人会这么想。你在乎什么？反正这个东西不会影响我加薪，也不会帮我娶媳妇。有了这笔钱，还不如搞扶贫。我不妨看看彭于晏于晏鲁汉的八卦。
真的是这样吗？
500年前，欧洲的航海技术发展迅速，而世界第一的明朝宁愿禁海，也不愿在航海上烧钱。从那时起，欧洲人殖民了世界，他们的文化对海外产生了深远的影响。
三百年前，欧洲启蒙运动诞生了，基础科学发展迅速，但清朝人认为它是一种奇怪的技能。然而，人们很快就发生了工业革命，远远落后于中国，但也让我们经历了如此羞辱的历史。
现在，我们还会继续这么短视吗？只有身边看得见摸得着的才是利益。从长远来看，看似空灵无边与我无关。是这样吗？
当法拉第发现电磁感应并被麦克斯韦研究时，公众可能会认为这与我无关。然而，当电能最终进入应用领域时，它给世界上每个人的生活带来了难以想象的变化。
神经网络、人工智能和量子计算也是如此。这些领域的专家早在20世纪60年代就开始研究，但现在他们终于进入了应用阶段。在成熟的收获季节，许多人开始突然意识到：啊，XX技术太强大了，太棒了！
他们不知道有多少科学家和先驱者付出了多少努力。
以双子合并引力波事件为例，中国团队也默默参与其中。LIGO的团队得到了清华大学信息技术团队的帮助。
中国科学院南京紫金山天文台对观测数据进行了详细分析。
在南极，中国南极巡天队利用昆仑站第二台望远镜AST3-2观察了双中子星合并事件。
在太空中，中国第一颗空间X射线天文卫星-慧眼HXMT望远镜也成功监测了事件的发生。
未来，中国将探索引力波的顶级项目：天琴计划将逐步完成。与LIGO相比，天琴计划直接在太空中观测卫星。
科学前辈们今天的努力对普通人来说可能毫无意义，但也许十多年或几十年后，他们会让人类生活得更好，让人类的后代生活得更幸福。
我们曾经忽视和落后，我们失去了探索海洋的机会。现在，我们不能再失去探索太空的机会了。
10分钟，了解引力波
昨晚10点，世界上数十家著名的天文机构也发布了一个重大消息：人类第一次直接探测到双中子星合并的引力波。
有些人可能会说，引力波不是在去年2月就被发现了吗？它是如何再次宣布的？
这是因为这两次引力波发现事件的性质不同，所以意义不同。如果用一句话简单总结一下，那就是人类之前只感受到引力波的存在，而这一次，是认真的“看到”。
今天，睡眠将简要普及引力波和引力波观测的知识。别担心，它将使用最通俗易懂的语言。
什么是01引力波？
如果把我们的宇宙比作一座巨大的公寓楼，那么各种完全不同的物质就像一个脾气完全不同的租户。这些“租户”怎么能和睦相处呢？
宇宙公寓楼提供了四项最基本的规定，所有租户都必须遵守这四项基本规定。是的，这是宇宙中最基本的四种相互作用：“引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用”。
这四种相互作用，也被称为“自然四力”或“宇宙基本力”。直到今天，在物理学的帮助下，所有关于物质的物理现象都可以用这四种基本相互作用的机制来描述和解释。
在这四种相互作用中，电磁力、强力和弱力在上个世纪中期就被探测和证明了。只有引力在理论上一直存在。关于它存在的证据是：引力波尚未被发现。
为什么会这样？
因为引力太弱了。根据四种基本力的相对强度：如果引力强度为1，那么，即使名称中有“弱”弱，也有10的25倍。电磁力和强度分别是10的36倍和10的38倍。
所以如果你不知道，你会发现引力波的作用太弱了。
那么，引力波是什么样的波呢？
在爱因斯坦的广义相对论中，我们可以用一种更生动的方式来解释：时间和空间的弯曲，或由高质量的物体加速运动产生的波。
如果你把时间和空间想象成一个巨大而平坦的沙发，那么当你坐在沙发上时，重量自然会导致沙发凹陷。如果你旁边有一个小球，那么小球也会因为你的重量而滚到你身上。
而且，体重越大，沙发上的凹陷越大，效果越明显（别担心，睡眠不会让你减肥……）。
另外，如果你坐在沙发上，通过超高速摄影一帧一帧慢放，你会发现沙发上的凹陷是从内到外逐渐扩散的，呈现出波动的形式。
如果用更明显的例子，当你把一块石头放在一个平静的湖里时，它会以石头进入水中的地方为中心，产生一圈又一圈的涟漪。这种涟漪类似于引力波的作用。
显然，如果以宇宙时空为背景，一块石头或一个人引起的引力波几乎可以忽略不计。更不用说被几十亿光年之外的感知了。
也就是说，只有那些巨大到不可思议的天体，在产生惊天动地的天文现象时，释放出来的引力波，才能被我们捕捉到，远离十亿光年。
例如，超新星爆发产生的引力坍缩和伽马射线暴，如FAST不久前发现的脉冲星，如双星系统的合并，如双黑洞（去年），或双中子星的合并，这是昨天刚刚发布的引力波观测事件的起源。
如何捕捉引力波？
事实上，即使黑洞合并了这样一个震惊宇宙的大事件，当引力波信号到达地球时，它的强度也很小。
到底有多小？
引力波振幅的数量级小于10负21次方，只有氢原子的100亿分之一。
振幅小到这个尺度的波动信号，更别说蝴蝶振动翅膀了，就是蝴蝶放屁相当于海啸…
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台。是的，从名字上可以看出，LIGO之所以能捕捉引力波，是因为光的干涉原理。
虽然干扰原理是初中的物理知识，但很多人都忘记了。没关系。我会帮你回忆起，如果两束光波在传播过程中重叠，就会出现新的波形。如果是峰谷叠加，新的波形会更强(下图左侧)。如果峰谷相抵，新的波形甚至会消失(下图右侧)。
体现在光强上，最亮的地方会超过原两束光的光强之和，最暗的地方光强可能为零，称为“干涉条纹”。
在引力波的影响下，会有轻微的光波波形变化，当时光探测器可以感知到干扰条纹的变化。最理想的状态是从零开始，最初完全相互抵消，如果受到引力波的影响，就会形成干扰波形图案。
看起来又矮又油，不错，但实际操作起来非常非常困难。因为地球上有太多的电磁噪声干扰，这些干扰本身比重力波大得多。如何解决这个问题？
除了一些顶级的抗干扰方法(比如新LIGO的悬垂稳定器，提高了10倍的精度)，LIGO还有另一个解决办法，那就是我复制自己。
事实上，真正的LIGO系统有两个完全一致的设备，分别位于华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的利文斯顿，相距3000多公里。这样，超级计算机就可以比较收集到的数据，并通过算法消除大量的干扰信息。
因为，同时会影响两地之间的波动信号，基本上来自太空，所以去除地面的人工信号更容易筛选。
除此之外，LIGO本身也是人类历史上最精密的仪器。
首先，为了获得更清晰的干扰波形，激光强度需要足够大，即功率需要足够大，所以增强激光功率的方法是让激光通过许多镜子来回反射。
LIGO的每一面镜子都有超乎想象的反射率。这些纯二氧化硅制成的反射镜，每300万光子射入一次，只剩下一次，剩下的光子都会反射。
此外，LIGO本身的激光臂有4公里长，但精度远远不够。激光需要400次反射才能达到最终的强大功率，也就是说激光臂的最终长度是1600公里，这样惊人的长度才能达到最终的精度。
是的，当你乘以10-21次和1600公里的引力波振幅时，最终的数据尺度大约是单个质子半径。虽然它仍然很小，但至少足以捕捉到引力波的存在。
03这次引力波检测有什么区别？
昨天公布的引力波探测事件是两颗中子星合并时释放的引力波。之前观察到的是两个黑洞合并释放的引力波。
简而言之，它们有两个区别：
第一点是双中子星合并，产生更强的引力波信号。虽然中子星的质量比黑洞小得多，但它们比黑洞长得多，可以持续一分钟以上，而黑洞合并的引力波信号通常只持续一秒钟。
好吧，持久就好~
第二点是，当双黑洞合并时，由于黑洞的巨大重力，任何光波都无法释放，也就是说，这个事件是真正的“黑色”，我们只能根据其他现象推测它，但不能真正“看到”。
双中子星的合并是不同的。它不仅会释放大量的短伽玛射线暴力，还会发出巨星辐射。换句话说，我们的天文望远镜将观察到大量的电磁信号。
也就是说，结合引力波和电磁波，我们对观测有一个双保险参考，可以通过电磁波准确定位天文现象的位置。
嗯，每个人都可能听说过黑洞，所以中子星（neutronstar）又是什么？
当恒星的寿命即将结束时，其核心中的氢、氦、碳等元素在100亿年的核聚变反应中已经耗尽。最后，当热辐射效应逐渐下降，压力不再足以支撑外壳时，就会发生坍缩和剧烈爆发。
根据恒星的质量，从小到大最终会演变成白矮星、中子星或黑洞。
中子星的直径一般为10-20公里，但每立方厘米的物质重量可达10亿吨，因此其重量可达太阳的1.35-2.1倍。也就是说，中子星的密度与原子核基本相同。
此外，中子星的自转速度非常快，可以达到一秒一圈。
你可以想象一个直径20公里，有两颗太阳这么重的星体，一秒钟就能转一圈。这是什么场景…
正是因为旋转速度非常快，中子星本身的磁场非常强。旋转过程中产生的电磁波辐射每次扫过地球时都会形成高频信号脉冲。这种中子星也被称为“脉冲星”（Pulsar）”。就像迪厅里快速旋转的彩灯…
值得一提的是，世界上最大的单口径（500米）射电望远镜，位于中国贵州的FAST望远镜，一周前刚刚检测到数十个高质量的脉冲星候选人，其中6人通过了国际认证。
这也是中国射电望远镜首次发现脉冲星。
正如我们在上面所说，脉冲星本身就是引力波产生的重要来源，也就是说，LIGO很有可能在未来发生、VIRGO(相当于欧洲LIGO)发现引力波的存在，然后从FAST等天文望远镜观察到那个位置，最终发现脉冲星、中子星合并等罕见的天文现象。
这次中子星合并就是这样一个故事:
8月17日，LIGO和VIRGO的三个探测器接收到一个引力波信号。仅仅1.7秒，NASA的费米卫星就发现了伽马射线暴。然后智利的SWOPE望远镜在星系NGC4993中观察到了明亮的光学源。
这三者证实了宇宙中一件大事的发生(实际上发生在1.3亿年前，但信号刚刚到达地球……)
因此，在接下来的几周里，世界上所有著名的天文台都将望远镜对准了该地区，并争先恐后地记录了天文数据，即两颗中子星的前世和今生：
在距离地球1.3亿光年的长蛇星系NGC493中，两颗中子星互相吸引，越来越近。最后，他们决定合身，以获得生活的伟大和谐…
合并前100秒左右，距离400公里，每秒绕12圈(这个速度啧啧)，向外辐射引力波。几秒钟内，它们变得越来越近，直到它们最终合并在一起，产生剧烈的冲击，形成新的天体，并发出电磁辐射。
LIGO发现的是合体事件的引力波；世界主要天文台发现的是合体事件的电磁辐射。
双中子星合并，最终变成了什么？
目前还在观察中，一种可能是变成了更大的中子星，一种可能是变成了黑洞。
04引力波的发现有什么意义？
我认为公众最关心的可能是这个。
但说实话，就目前而言，除了在天文、物理等顶尖领域具有重要意义外，对普通人来说并没有直接意义。
也许很多人会这么想。你在乎什么？反正这个东西不会影响我加薪，也不会帮我娶媳妇。有了这笔钱，还不如搞扶贫。我不妨看看彭于晏于晏鲁汉的八卦。
真的是这样吗？
500年前，欧洲的航海技术发展迅速，而世界第一的明朝宁愿禁海，也不愿在航海上烧钱。从那时起，欧洲人殖民了世界，他们的文化对海外产生了深远的影响。
三百年前，欧洲启蒙运动诞生了，基础科学发展迅速，但清朝人认为它是一种奇怪的技能。然而，人们很快就发生了工业革命，远远落后于中国，但也让我们经历了如此羞辱的历史。
现在，我们还会继续这么短视吗？只有身边看得见摸得着的才是利益。从长远来看，看似空灵无边与我无关。是这样吗？
当法拉第发现电磁感应并被麦克斯韦研究时，公众可能会认为这与我无关。然而，当电能最终进入应用领域时，它给世界上每个人的生活带来了难以想象的变化。
神经网络、人工智能和量子计算也是如此。这些领域的专家早在20世纪60年代就开始研究，但现在他们终于进入了应用阶段。在成熟的收获季节，许多人开始突然意识到：啊，XX技术太强大了，太棒了！
他们不知道有多少科学家和先驱者付出了多少努力。
以双子合并引力波事件为例，中国团队也默默参与其中。LIGO的团队得到了清华大学信息技术团队的帮助。
中国科学院南京紫金山天文台对观测数据进行了详细分析。
在南极，中国南极巡天队利用昆仑站第二台望远镜AST3-2观察了双中子星合并事件。
在太空中，中国第一颗空间X射线天文卫星-慧眼HXMT望远镜也成功监测了事件的发生。
未来，中国将探索引力波的顶级项目：天琴计划将逐步完成。与LIGO相比，天琴计划直接在太空中观测卫星。
科学前辈们今天的努力对普通人来说可能毫无意义，但也许十多年或几十年后，他们会让人类生活得更好，让人类的后代生活得更幸福。
我们曾经忽视和落后，我们失去了探索海洋的机会。现在，我们不能再失去探索太空的机会了。
