在引力波天文學時代到來之前，人類只能夠通過電磁波等傳統手段觀測宇宙，只有圖像，沒有聲音，像看無聲電影一樣。「天琴計劃」的開啟，不僅讓我們可以傾聽宇宙的聲音，而且幫助我們收集到更多種類豐富的引力波信號。什麼是黑洞？它是如何成長的？引力波又是什麼？是誰發出的引力波，該怎麼探測？實現空間引力波探測，具體要怎麼做？「天琴」除了看到雙黑洞併合，還能發現什麼？
出品："格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）
以下內容為中山大學物理與天文學院副教授胡一鳴演講實錄：
如果大家關注科技新聞，應該都知道，今年的諾貝爾物理學獎頒發給了三位研究黑洞的物理學家和天文學家。
他們分別通過理論研究和天文的觀測證明了黑洞的存在。
什麼是黑洞呢？
黑洞是宇宙中最為緻密，也是引力場最強的天體，以至於連光都無法逃出它的魔爪。
如何製造一個黑洞？
就是把腳下的地球努力的壓縮、壓縮、再壓縮，壓縮到桌球那麼大，就可以得到黑洞了，當然這是一個很小的黑洞。
我們今天可以研究強引力、黑洞等，這些都歸功於偉大的物理學家愛因斯坦提出的廣義相對論，它給我們提供了數學工具，可以去描述黑洞、描述引力。
當然，我們指導的研究生如果想上好廣義相對論這門課，需要花一個學期的時間，我們今天只有20分鐘的時間。
請允許我把廣義相對論濃縮成一句話：時空告訴物質如何運動，而反過來，物質告訴時空如何彎曲。
太陽具有很大的質量，它會把附近的時空彎曲起來。
在彎曲的時空中，運動的地球走的不再是直線，而是在不停繞著太陽打轉。
類似的，地球也會把它附近的時空彎曲起來，所以月亮也在不斷地繞著地球轉。
自從1915年愛因斯坦提出廣義相對論以來，有許多科學家因為與之相關的研究而獲得了諾貝爾物理學獎。
特別是到21世紀，也不過是過了20年的時間，已經有6項諾貝爾物理學獎頒發給了與廣義相對論有關的研究。
更讓人不可思議的事情是，最近4年就有3項諾獎是與廣義相對論有關的。
因此，當我們今年知道又一次諾貝爾物理學獎頒發給了與廣義相對論有關的研究後，一些同事在微信群裡開玩笑，說感覺愛因斯坦在1915年出了一本習題集，誰能做對一道題目，誰就可以去領一個諾貝爾獎。
如果要問這本習題集裡哪道題最有挑戰性、分值最大，我想很多物理學家的回答都是引力波。
什麼是引力波呢？
引力波是時空的漣漪，當它過來時，它會改變兩個物體之間的距離。
地球和太陽之間有著1.5億公裡的距離，當引力波過來時，這個長度會發生一個非常微小的變化，多小呢？
大概是一個氫原子的大小，所以這個探測非常困難。
1916年，也就是愛因斯坦提出廣義相對論的第二年，他就推導出了引力波並發表了論文。
但是在那篇論文的結尾處，他還寫了一行小字：引力波是如此微小，以至於在任何可以想像的、合理的物理場景下，人類都不可能探測到引力波。
這就好像是出這本習題集的老師都認為這道題目解不出來。
引力波怎麼測？
非常幸運的是，人類最終還是探測了引力波，怎麼探測呢？
這藉助於一種技術，也就是雷射幹涉測量技術。
簡單來說，就是打出一束雷射，並且讓它在分束器的地方一分為二，一束雷射向前走，另一束向旁邊走，它們同時走過相同的距離，大概4公裡。
對面放著一面反射鏡，它就往回走，兩束光在分束器的地方又合二為一。
光具有一種特性，就是幹涉，如果我在旁邊放置一面探測器，這時是什麼信號都看不到的，這邊看到的是全部黑暗的景象。
如果有引力波過來，就會不一樣了，因為引力波會改變兩個物體之間的距離，也就是說雷射到鏡子之間的距離會發生改變。
因為距離發生了改變，向前走的雷射與向旁邊走的雷射經過的路程不一樣，當它們合二為一時，它們不是完美地相消。
一部分光會照到探測器上，探測器記錄到一會亮、一會暗的數據，就反映出了引力波的效果，我們可以藉此測量引力波信號。
是誰發出引力波？
引力波可以由很多系統產生出來，比如我在臺上走來走去，手揮來揮去，也可以產生引力波，但這樣的引力波是非常小的。
什麼樣的系統輻射出的引力波可以被探測到呢？一定是質量非常大，速度非常大才可以。
比如兩個黑洞如果互相繞轉，就會產生引力波，它們互相繞轉，頻率越來越高，強度越來越強。
向外走的引力波以光速向前進，經過漫長的旅行後終於到達地球，到達探測器，並且會改變物體間的距離，在一個方向上會擠壓，在另一個方向上會拉伸，留下可觀測的效應。
2015年9月14日，人類第一次探測到了引力波信號。
因為是在那一天探測到的，所以我們給它取了一個名字，叫做GW150914，這裡展示的就是這個信號的數據。
地面上有兩個探測器同時記錄到了數據，吻合程度非常高，讓我們確信它的來源是兩個黑洞的併合。
到2015年底，人類一共看到了三次引力波事件，也就是說有三對黑洞發生了併合，並且被地面的探測器探測到了。
現在，隨著探測器靈敏度的不斷提高以及探測時間的不斷累計，我們探測到的事件數也在不斷增加，目前一共有50個事件。
天琴計劃
今天，我們已經進入了一個全新的時代——引力波天文學時代。
在這之前，人類觀測宇宙，只能夠通過電磁波等傳統手段，我們能看到的是一些圖像，沒有聲音，就像看無聲電影一樣。
而這個手段的開啟，讓人類可以打開「宇宙電臺」，傾聽宇宙的聲音。
2017年，我做了一個決定：回國加入"天琴"團隊。為什麼呢？
因為我意識到在愛因斯坦留下的這道題目——引力波探測裡，還有第二個小問，這個問題是：如何探測低頻的引力波信號？
低頻的引力波探測與高頻的探測有區別嗎？
用一個簡單的例子來展示一下，我手中是一個彈簧，把它拉開，讓它這邊振動起來，就得到了一個波長和彈簧長度一樣的波。
如果振動加快，頻率增加，這個長度之中就會有兩個波，甚至是三個波，對應的，它的波長就會減小，換句話說，頻率越高，波長也就越短。
用雷射幹涉測量技術測量引力波時，它的工作最敏感的範圍就是當引力波的波長和探測器的尺寸差不多的時候。
地面上的探測器大概是4公裡，可以探測一些比較高頻的信號。
如果想觀測更低頻的信號，甚至是波長遠遠超出地球的尺寸時，就不能在地面上製造這樣的探測器了，只能把這個探測器放到空中，在空間實現引力波探測。
"天琴計劃"就準備做這樣一件事情：發射幾顆衛星到空中，然後用雷射把它們連接起來，組成一個巨大的、像豎琴一樣的引力波探測器，靜靜地等待著引力波來撥動"天琴"的琴弦。
實現空間引力波探測，具體要怎麼做？
理論上講，好像很簡單的樣子，只需要發射幾個質量塊，把它們放到距離地面十萬公裡的高度。
當然在這個位置上還是有很多幹擾的，比如太陽會吹來太陽風，地球會造成地磁場幹擾。
我們希望這些質量塊只受引力的作用，所以我們要製造一個盒子把它們保護起來，不讓它們受各種幹擾的影響。
有了這樣一個穩定的平臺後，我們還要精密測量這些質量塊之間的距離變化，就要藉助空間雷射幹涉的方法來實現。
這些問題，說起來很容易，但真要實現起來，那可是難上加難了。
幸好我們有一個非常靠譜的實驗團隊，所以作為一個引力波天文學家，我就可以放心把實驗的難題交給他們，我只需要研究"天琴"能夠看到哪些引力波源。
我怎樣研究這項課題呢？
很簡單，只要我知道這幾個質量塊之間的距離、它們的殘餘加速度和距離測量精度後，就可以畫出一個靈敏度曲線。
什麼叫靈敏度曲線呢？
它表示著不同頻率上，噪聲強度的高低。
再將引力波信號疊加到這張靈敏度曲線上，當信號高於靈敏度曲線時，大致上可以認為這個信號能夠被探測到。
地面的探測器可以測量兩個黑洞的併合，這個過程，兩個黑洞越轉越近，越轉越快，頻率在增加。
反過來，把時間往回倒退，一年、甚至十年的時間，是不是它的頻率會更低？
我們研究發現，這個時候，它的頻段正好落到"天琴"工作的範圍，所以我們可以在它併合前一段時間實現探測，這樣的探測比地面的探測有趣多了。
在地面上探測到雙黑洞併合信號後，地面的探測器會告訴天文學家：小夥伴們，快來看，在這個方位，在這個時候，我探測到了一個雙黑洞的併合信號，請你們把望遠鏡對準它，來觀測一下。
然而可能最有趣的時候，恰恰就是雙黑洞併合的時候，這邊已經是亡羊補牢、為時晚矣。
而如果"天琴"可以在它併合的前幾年，或者前幾個月就發出預警，可以做一個「天象預報」，那我們就可以讓地面的天文學家們守株待兔、以逸待勞。
我們說，這個方向、這個時候將會有一個雙黑洞併合，請你們到時候準備好望遠鏡對準它。
我們的徵途是星辰大海
除了雙黑洞併合，"天琴"還能看到什麼？
我們研究了許多不同的引力波系統。
比如我們知道在銀河系裡有許多雙白矮星系統，但是用電磁波手段看，它們是非常暗弱的，很難看到，我們目前大概只能看到100對雙白矮星。
然而根據我們的計算，"天琴"上天運行5年後，就能夠看到大概1萬對這樣的雙星系統，如果把這些星畫成一張圖，那可真是密密麻麻，看都看不清楚了。
我們還知道，在宇宙中存在著許多星系，星系會併合，每個星系中心都有一個大質量的黑洞。
這些大質量的黑洞塊頭比恆星級的黑洞大得多，它產生的引力波也大得多。
隨著星系的併合，大質量的黑洞也會併合，產生非常強大的引力波信號。
"天琴"對這類信號的探測能力可以一直推到宇宙的盡頭。
通過對這些信號的分析，我們也許可以了解這些黑洞是如何成長的，以及對應的星系是如何成長的，甚至宇宙是如何成長的。
既然有大質量黑洞，還有小質量黑洞，一大一小的黑洞能不能在一起「跳舞」產生引力波呢？
答案是可以的，而且，它的波形會非常複雜，而它卻恰恰提供了一個很好的讓我們研究引力的舞臺。
為什麼？哪怕廣義相對論只是錯了一點點，它的波形和觀測到的數據都會長得很不一樣。
所以我們可以利用"天琴"的觀測，反過來考一考愛因斯坦。
總之，我和我帶領的團隊在過去的幾年裡分析了"天琴"能夠看哪些引力波信號、能夠看到多少個，以及測量的物理參數能測多準。
我們的結論是："天琴"能夠收集到種類非常豐富、數量巨大的引力波信號。
我現在非常期待，期待"天琴"上天，一一驗證我們做出的理論預言。
讓我們期待引力波的到來，來撥動"天琴"的琴弦。
「格致論道」，原稱「SELF格致論道」，是中國科學院全力推出的科學文化講壇，由中國科學院計算機網絡信息中心和中國科學院科學傳播局聯合主辦，中國科普博覽承辦。致力於非凡思想的跨界傳播，旨在以「格物致知」的精神探討科技、教育、生活、未來的發展。獲取更多信息。本文出品自「格致論道講壇」公眾號（SELFtalks），轉載請註明公眾號出處，未經授權不得轉載。