0、山言

        这一篇摘录札记是以前“科技袁人”系列做的关于『引力波』的科普。当时引力波的发现引起了不小的波澜，因此科技袁人就做了一系列的科普视频：

        第3集小议引力波（上）——【up：科技袁人】——8:51

        第4集小议引力波（中）——【up：科技袁人】——5:56

        第5集小议引力波（下）——【up：科技袁人】——12:35

1、引力波大会

        2017年12月18日，在由中科大上海研究院举办的上海引力波大会上，三位诺奖得主——雷纳·韦斯（Rainer Weiss）、基普·索恩（Kip Stephen Thorne）、巴里·巴里什（Barry Clark Barish）——应邀参加。

（1）引力波是什么？

        简单地说，引力波就是时空的波动。我们平常说的水波、声波、电磁波等是物质波，是物质在时空当中的运动。而引力波是时空本身的波动。

（2）引力波概念提出的来由

        牛顿时代人们认为时间是均匀地流逝，空间是均匀的绵延，即牛顿的绝对时空观。但十九世纪有一个著名实验：迈克尔孙-莫雷实验。按照绝对时空观，由于地球的自转和公转，地球上不同经度和纬度方向上测量的太阳光的速度是不同的，但是实验结果证明光的速度完全相同。

        直到1905年爱因斯坦认为应该将“光速不变”作为一条基本原理，并据此推出狭义相对论（Special Relativity）（一共两条原理，另一条是相对性原理，即所有的物理规律在任何的惯性参照系当中形式都是相同的）。狭义相对论有许多推论，例如钟慢效应、尺缩效应、质能关系等。之后就将时间和空间混合到一起研究，将时间和空间对应到xy轴上进行研究，而参考系变换就相当于坐标变换。

        之后，爱因斯坦又发展出了广义相对论（General Relativity），广义相对论解答了在非惯性参考系（即有加速度的参照系）中物理规律的变化。而引力波就是广义相对论中的成果。广义相对论描述物体运动——首先任何一个有物质的物体都会使时空产生曲率；然后物体沿着有曲率时空当中的短程线运动，若无曲率则短程线是直线，而有曲率则短程线是曲线。因此引力现象的本质是，质量产生曲率而物体做短程线运动。

（3）引力波与时空的曲率

        引力波这里的波动具体指的是时空曲率的波动。即我们存在的时空不是平的，而是有曲率的。从而很多现象看似是由于引力产生的变化，实质是由于质量使时空产生曲率而产生变化。观察引力波就是设法观察时空曲率的波动。

        但是应该怎么观察时空的曲率呢？如果是一张纸，要判断是否是平的，很简单，站在外面看一眼就知道了，但是我们的难点是我们身在时空中，不能跳出时空观察，因此需要一些手段。例如画一个三角形测量内角和是不是180度；画个圆测量周长看是不是半径的2π倍；即判断是否满足平面几何定理。如果是凸面，那测量三角形内角和的结果将大于180度；如果是凹面，那测量三角形内角和的结果将小于180度。

        因此我们可以考虑通过实验来确定时空的曲率。空间中的每一点都有一个曲率，而这个曲率是由物质的质量分布决定的，即由质量决定曲率，再由曲率决定运动。

        其中引力正比于物体的质量，引力产生的效应是给物体提供加速度，而加速度等于力除以质量，质量又被除掉了，从而在这一角度下质量和加速度又没有关系了，即可以看做引力等价于一个有加速度的参考系。根据这个等效原理（可以这样理解当你在一个远离所有引力的飞船上，但当飞船以地球重力加速度飞行时，你是无法判断你是在地球上还是在飞船上，即使此时飞船不受任何引力）我们可以将狭义相对论推广到广义相对论。

2、引力波观测

（1）观测引力波的难度

        观测引力波是观测使空间任意两点之间距离的变化，这个变化极小，例如2016年两个黑洞合并相当于三个太阳质量的能量放出，产生的引力波到地球时产生的效果是空间两点产生10^-21次方的变化。实验仪器是长约4km的干涉臂，即只有4×10^-18m，原子核的大小是10^-15m，这个变化只相当于原子核半径的千分之一。

（2）引力波的特点

        引力波无法屏蔽，可以传遍全部宇宙。由宇宙大爆炸产生的原初引力波原则上也可能会被观测到。因此《三体》中有关于将引力波作为传递信息工具的描述，目前来看引力波可以传遍宇宙这一点很好，但是接收引力波比较困难。

        另外，目前认为引力是由引力子传播的，观测到引力波但是由于理论上引力子数目极为庞大，难以观测到单个的引力子。

3、引力波探索者

（1）探索者

        讲座中雷纳·韦斯（Rainer Weiss）负责将科学理论；基普·索恩（Kip Stephen Thorne）是理论家负责讲鸡汤八卦；巴里·巴里什（Barry Clark Barish）负责讲管理。

        ——约瑟夫·韦伯Joseph weber（1919-2000），早于60年代就试图用韦伯棒（一种铝棒）探测，其至死都认为自己探测到了引力波，但应该不是。

        ——还有一名开创者英国物理学家罗纳德·德雷弗Ronald William Prest Drever（1931-2017），未能等到诺贝尔颁奖，而无缘诺奖。

        ——基普·索恩（Kip Stephen Thorne），13岁时读到乔治·伽莫夫所著的《从一到无穷大》从此立志科学。其刚开始并不相信能够探测到引力波，但是在其试图“挽救”雷纳·韦斯，希望能将其从探测引力波的大坑中解救出来时，结果被雷纳·韦斯说服了，然后也义无反顾的一起跳进去了。

        ——LIGO激光干涉引力波探测仪（The Laser Interferometer Gravitational -Wave Observatory）。刚开始LIGO精度不够，后升级为Advance LIGO，精度提高10倍，仅升级两天就发现了引力波。

（2）科学之火

        四百多年前科学只是小小的火种，但是人类一旦开始科学的征途就绝对不会停息，最终科学会证明自身才是最强大的力量。好奇心是人类的天性之一，对科学的追求并不违反人性，而是人性中最宝贵的部分。

        【山言】在这一期我终于知道“成功不必在我”的正确出处以及后半句，由于这句话变种太多，以前在网上搜了半天，没搜到地。这次看视频终于搞清楚了这句话的来龙去脉。这句话是出自《1932年6月给北京大学毕业生的讲话》原载于1932.7.3《独立评论》第7号，原文“天下没有白费的努力。成功不必在我，而功力必不唐捐。”“今日的失败，都由于过去的不努力；今日的努力，必定有将来的大收成。”