引力波天文学，如果它可以被创立的话，将会给我们带来宇宙各方面的信息，在传统天文学中永远不可能看到或者知道的信息。它有潜力给我们对宇宙的理解带来一场革命。
2017年12月，美国理论物理学家、诺贝尔物理学奖得主基普·索恩 (Kip Thorne)在墨子沙龙引力波大会上围绕LIGO探测引力波的理论基础与未来发展开展了一场科普报告。
本文根据报告内容整理而成。
▲基普·索恩近照 来源：维基百科
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第一部分
从想当“除雪司机”到爱上宇宙：
我找到了属于自己的“语言”
在座有很多年轻人，所以我想先讲一下我年轻时候的事。我在犹他州落基山上的一个小镇长大。小时候我想当一个除雪车的司机，那时候在我眼中世上最厉害的事就是用除雪车推着雪，堆成三米高的小山。但后来我开始对天文学感兴趣。
在我13岁的时候，我读了一本乔治·伽莫夫写的书，叫《从一到无穷大》。伽莫夫是一位理论物理学家和宇宙学家，也是一位很有启发性的作家。我对此彻底入迷，我爱上了宇宙的理论，这就是我今天在这里的原因。
▲乔治·伽莫夫著作《从一到无穷大》来源：演讲者
我曾经尝试过把自然定律和宇宙的美，通过一部我参与制作的电影传递给下一代人。电影的名字叫《星际穿越》，我还写了一本讲解《星际穿越》中的科学的书来帮助年轻人更好理解它。
▲基普·索恩的天文学通识读本《星际穿越中的科学》 来源：演讲者
当我到加州理工求学时，我发现我有些笨。我原以为我在高中的时候很聪明，但那时要很费力才能跟得上，但我还是成功了，因为我找到了自己做事的方法。我意识到，我需要对正在学习的东西理解得更深才可以，如果我想成功的话。
其中的方法之一，也是我成年之后一直保持的，就是自己做笔记。在学习重要物理结论时，我用自己的方法去解释它们，然后给出自己对结果的推导和证明。有时我会倒回去读多年前的笔记。我想告诉年轻人的是，如果你难以理解，可以试着去找自己的方法，你的理解方法不需与其他人一样。
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第二部分
觉得这想法“太疯狂”，
为何我却搭上了70%的职业生涯？
之后我继续在普林斯顿读博士，在那里我受到了导师约翰·惠勒(John Wheeler)的启发，对中子星和黑洞产生了兴趣。我还经常参加一位物理学家Bob Dicke的组会，聆听组会上学生和博士后的发言，Rainer Weiss当时是博士后，他在讨论他们进行的实验，这样我对实验也有了一些了解。
▲约翰·惠勒（John Wheeler，1911-2008），美国理论物理学家，广义相对论领域的重要学者 来源：维基百科
在1963年我参加了一个暑期学校，是关于理论物理学和实验物理学，在法国阿尔卑斯山的莱苏什我遇到了约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)，他当时正在引力波探测实验的早期阶段。关于引力波，我深受他的启发。因此，在1966年，当我以一个年轻教授的身份回到加州理工时，我决定组建一个理论研究组，主要研究黑洞、中子星和引力波的理论。我开始思考，我们可以从引力波中研究哪些科学。1972年，我们开始构想引力波天文学的前景。其中关键的一点，也是这个愿景的基础，是引力波与电磁波如此的不同，而电磁波是天文学家通常的研究手段。
▲约瑟夫·韦伯制造的棒状引力波探测器 来源：维基百科
电磁波包含光、无线电、X光、伽马射线、紫外线、红外线以及微波。它们都是电场和磁场的振动，随着时间变化在空间中传播。引力波很不同，它是时空结构的扰动，会使垂直于传播方向的空间发生交替拉伸和压缩。
在天体物理学中，由独立的原子和分子等粒子发出的电磁波几乎总是非相干叠加的，但是引力波是由大尺度运动的宏观物体相干地发出的大量的物质或能量，所以对于两种波，发射的过程是截然不同的。电磁波非常容易被散射或者吸收，这在它们从发射源传播到地球的时候就会发生，引力波难以被物质显著地吸收或散射，即便引力波是在宇宙诞生之初大爆炸的时候发出的，也只会有非常非常小的部分被吸收或者散射掉，因此引力波可以穿透一切东西。
在上个世纪70年代的时候我们就已经非常清楚，许多引力波的源永远不会通过电磁波被看到，引力波天文学，如果它可以被创立的话，将会给我们带来宇宙各方面的信息，在传统天文学中永远不可能看到或者知道的信息。它有潜力给我们对宇宙的理解带来一场革命。
在1972年，我的学生和我发表了第一篇关于引力波天文学前景的文章，在同一年，Rainer Weiss展示了他的干涉引力波探测器的想法。在这个报告中他确定了所有主要的噪声源，正是他图片中展示的第一个LIGO探测器所面临的那些问题，他描述了如何处理克服每一个主要的噪声源。他计算了引力波探测器的精度和灵敏度，并得出结论，如果可以搭建一个几千米长的装置，也许可以成功。
我听说了Rai的想法，但也听说它需要测量镜子的移动，精度达到测量所用光的波长的一万亿分之一，也就是10的负12次方，我当时觉得这太疯狂了。
▲基普·索恩和其博士论文导师合著的《引力》来源：演讲者
几年之后，我开始相信这确实有可能成功，我决定做理论学家能做的一切来帮助实验团队获得成功。事实上，我花了我职业生涯70%的时间致力于此。
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第三部分
伽利略后400年，我们将如何“看”见宇宙
俄罗斯科学家弗拉基米尔(Vladimir Braginsky)最早指出过一个现象。1968年，他说，无论你用什么方式寻找引力波，你必须去测量一个大的重物的运动，你会看到这些重物的表现遵循量子物理而不是经典物理。
一个原子中的电子，你永远不知道它的精确位置，由于量子效应，它的位置会随机变化。类似的，在达到设计精度的先进LIGO中，镜子质心的位置也有涨落，量子效应造成的镜子质心的抖动，与LIGO的精度在同一水平。为了进一步提升性能，镜子位移的测量精度要比量子涨落效应还要小。
这意味着通过LIGO，人类第一次看见人体尺度大小的物体表现出量子力学的行为。它需要发展一种新的叫量子非破坏测量的技术来解决，这属于量子测量理论的重要方法，也是科大上海研究院的主要工作之一。
在接下来15或20年中，我们将开始用引力波来研究宇宙最早的时刻。理论上，在宇宙诞生10的负12次方秒后，会有一个相变，非常基本的物理学定律会改变，这被称作电弱相变。如果这个相变发生，会产生引力波。
▲人类首次直接探测到的引力波GW150914探测结果及理论分析 来源：维基百科
这些引力波在膨胀的宇宙中被频移，最终在今天会落在LISA的频率区间中，所以LISA将会寻找这些可能由电弱相变产生的随机引力波背景。
▲先进LIGO与KAGRA、LISA等引力波探测器 来源：演讲者
400年前伽利略建造了一个小型光学望远镜并把它指向天空，然后发现了木星的卫星，月球的陨石坑，此后400年里，电磁波天文学完全改变了我们对宇宙的理解。2015年9月，Advanced LIGO开始其首次观测运行；同年探测到GW150914，在接下来的400年里，我们会通过引力波发现更多。
内容整理：诗学
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