被引力波刷屏了

笑嘻嘻 · Post by **笑嘻嘻** » 2016-02-11 13:49

今早上，我的微信朋友圈被引力波给刷屏了。这种刷屏比明星八卦刷屏可有意思太多了。希望能有更多这种刷屏。
我辛辛苦苦把所有科普文章读一遍，这篇果壳科学人的比较好：
引力波探测：于无声处听惊雷

Jun · Post by **Jun** » 2016-02-11 15:27

笑嘻嘻这两天人品爆发么。趁有空赶紧去看一场 GSW 的篮球赛。

The New Yorker:

Gravitational Waves Exist: The Inside Story of How Scientists Finally Found Them
BY NICOLA TWILLEY

http://www.newyorker.com/tech/elements/ ... found-them

明天是星期五，Science Friday 应该也会有报道：

http://www.sciencefriday.com/

有点失望，没有提到 gravitational wave 的量子特征，以后大概会测出 background emission 里的引力波吧，那就能把前年 BICEP 2 没做出来的东西给补上了。

孙同学来给大家解释一下为什么这项结果很重要？

simonsun · Post by **simonsun** » 2016-02-11 17:08

我是编译党，想到什么就来更一点好了。

Jun关于你说的。这次探测的广义相对论GR效应是大尺度的效应，和量子无关。另外这次探测的是“天体尺度”的引力波，由星体黑洞发射，类似于点源。之前BICEP2和Planck探测的是“宇宙学”尺度的引力波，在微波背景辐射中，从大爆炸来。两个的来源不同。LIGO探测的只是前者。

GR用来描述四大基本作用中的引力，目前仍然是最好的理论。许多实验已经证明了这一点，比如水星近日点进动，引力透镜等等。然而这些试验都是对所谓的静态，弱场的测试，即是引力比较弱，变化也比较慢。GR对动态，强场也做了预言，这个就是引力波。探测这个十分困难，因为引力波和物质作用非常微弱。可是探测不到这个，就不能确认GR在强场极限下是否成立。（可以反过来想：万一不成立呢？天会不会塌下来？）所以引力波试验可看作GR的根本支柱，类似于Higgs Boson之于标准粒子模型，重要性就在于此。

之前已经有对引力波间接的探测。Hulse & Tayor观测到一对致密的中子星互相环绕。它们发射的射电脉冲可以用来测量环绕周期。由于引力波辐射能量，这个环绕周期会改变，Hulse & Tayor的观测证明了这一点。这个间接的试验拿了93年的炸药奖。这次的试验是直接的证明，重要性更进一步，所以大家一致认为马上就要发炸药奖。

这个实验之所以厉害，还是在于它的技术含量。它把一束激光分成两半，各自传播4公里，由一面镜子反射回来。如果两个光路完全相同，镜子完全静止垂直，那么两束激光应该重叠。如果有引力波，那么两个光路就会一个长一个短，那么激光就会发生干涉。从干涉图样可以反推时空的干扰，看它是否和GR的预测相符。听起来很简单，但是观测的精度要求是10的负22次方，一个质子的千分之一！简直是天方夜谭！几十公里开外的海滩上一个大浪，镜子抖一抖，探测到的就全是噪音。4公里的管道要抽成真空，管道上连个针尖大小的缝都不能有。10几年的工作，很多时候都是在4公里的下水道里找针尖，实在可怕。

我要吐槽其实这个项目NSF40年才投了1B，估计大部分还都是技术相对成熟后才投的，所以说什么big risk简直就是耍流氓。实验科学好多时候就是要有visionary leader，比如Kip Thorne，忽悠到小钱，然后大家做着玩，然后就等啊等等工程技术突破。这时候经济好，还能拿到大钱，那么就上马。运气好比如LIGO和LHC，做的就是炸药奖。运气不好比如前两年Gravity Probe B，就是一辈子进去，做的没什么声响。

我还要吐槽一下其实LIGO和LHC对年轻人都蛮难的。因为大部分时间是等啊熬啊，零敲碎打的。几千个人每人做一小块，工作不稳定，工资低，又难出人头地，谁要做啊。

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本周物理系各种被引力波刷爆。鄙校对LIGO的贡献来自于应物、工程系的专家。他们主要参与了激光系统和减震系统的设计，大幅度降低了观测噪音。果壳对减震系统的的悬垂设计有详细介绍。简单说就是把镜子挂在许多绳子上。镜子的惯性使它对高频扰动不再敏感。

减震系统前端的一部分是个中国留学生的博士题目，参看新浪对化文生的访谈。化博士六年里主要的工作就是待在地底下的黑洞里把手头的设计改进再改进，听起来就相当枯燥。其实研发的结果在别的领域可有广泛应用，有经济头脑的工程系教授自己开公司，把设计转化成产品，赚得盆满钵满。对基础学科的投入，很大一部分可以通过这些副产品快速得到回报。理虽如此，不过化后来跳到硅谷做码农去了，哎呦。

周二物理系的讲座改到了250人的大教室，结果来了有300多人。Kip Thorne特地来做引言，完了之后找不到座位只好坐在地板上。做讲座的Rana Adhikari在福罗里达念本科的时候，就参与LIGO的设计。之后到MIT在Rainer Weiss手下做博士，继续设计。之后到Caltech做博后，继续设计。结果两年之后拿了Caltech的教职。Adhikari和化差不多同时毕的业，不同的是化，还有其他几百个人，做的是部件，人家一直在做核心。他个人的成功看起来是inside track，天时地利人和，但是人家毕竟踏踏实实，一步一步走了二十年，也是很了不起。他提到自己学生时的设计，一度把精度提高了不少，但仔细一看，竟还差了6个数量级……博士阶段，朋友从早到晚就是劝他转行，工程方面的难度实在可怕。Adhikari回忆当时Rainer Weiss的“鼓励”：你小子将是第一个把引力波观测写进毕业论文的博士生，前无古人哪！一时间热血沸腾。后来问了一下，发现Weiss十年前就开始跟他的博士生这么说了，一字不差。噗嗤。

周四的讲座上，Princeton的理论学者Frans Pretorius对LIGO的结果做了讨论。Pretorius是最早对双黑洞合并进行高精度模拟的学者之一。他的意见是LIGO的结果，最惊人的是工程上的成就。就物理意义而言，近一二十年的工作一早说明了该结果的必然性，所以高兴之余并未太吃惊。比较有意思的是该结果的信噪比相当高，好比是建了精密仪器准备偷听窃窃私语，结果刚打开就来了个响雷。而之后十六天的观测里，其他的几个疑似信号都相当微弱。这说明什么呢？说明LIGO运气好得真是难以置信。

其实LIGO为了坐实结果，引入了一个盲测的机制。一个三人小组负责向仪器里秘密注入人工信号，之后所有的分析工作他们毫不干预，只有大家写好文章准备投稿了，才揭晓谜底。当当当，你们上当了！2010年搞过这么一轮，结果几百个人白高兴了几个月。所以2015年9月看到完美信号，大部分人都觉得是假的。但是还有一个twist，为了不过度干扰正常工作，盲测有一个公开的时间表，而9月份并不在计划之中。后来又试验，这么强的信号，人工其实做不出了假，一做的话别的预警器比如测地震的都会警铃大作……之后的一切就写进历史了。LIGO目前的精度还未达到设计上限，敏感度很快还将提升一个数量级。这不光意味着测量会更准确，还意味着探测的空间将扩大到目前的1000倍。这样之后可能是天天有惊喜了。

LIGO的主要目标其实并不是双黑洞合并，而是双中子星合并。原因之一是目前估计的双中子星的数目大大超过双黑洞，观测到的机会将大不少。原因之二呢，是双中子星合并会产生明亮的伽玛暴，可由其他望远镜探测到，与LIGO结果进行比照。而黑洞合并一般是没有多少电磁辐射的。有意思的是，对于这个事件，LIGO收到信号的同时，Fermi伽马望远镜竟然也收到了信号，而且信号源与LIGO大体一致。这里就有好多新的天体物理可做。

另，LIGO目前有两个探测器，Washington和Louisiana各一个。只有两个探测器的话，源的定位就比较困难。LIGO准备在印度再造一个，但是项目一直拖着没批。这次结果一出来，印度立马把项目批了，也算一桩美事。

天体物理和高能物理现在在推动数据公开化走在了前面。LIGO这次就把数据和处理软件都直接开源放在网上，大家可以动手玩一下。

Jun · Post by **Jun** » 2016-02-11 17:29

谢谢孙同学专业解读。我还抱着幻想，以为能推进相对论与量子物理的融合呢。说来说去只是证实了 GR，对于理论物理没什么直接的贡献。那么能不能推进统一场的理论呢？能不能把引力跟其他强力在理论上合并呢？

纽约客里对于技术细节讲得挺清楚的。

In June of 1969, Weber announced that his bars had registered something. Physicists and the media were thrilled; the Times reported that “a new chapter in man’s observation of the universe has been opened.” Soon, Weber started reporting signals on a daily basis. But doubt spread as other laboratories built bars that failed to match his results. By 1974, many had concluded that Weber was mistaken. (He continued to claim new detections until his death, in 2000.)

Weber’s legacy shaped the field that he established. It created a poisonous perception that gravitational-wave hunters, as Weiss put it, are “all liars and not careful, and God knows what.” That perception was reinforced in 2014, when scientists at BICEP2, a telescope near the South Pole, detected what seemed to be gravitational radiation left over from the Big Bang; the signal was real, but it turned out to be a product of cosmic dust.

On Sunday, September 13th, Effler spent the day at the Livingston site with a colleague, finishing a battery of last-minute tests. “We yelled, we vibrated things with shakers, we tapped on things, we introduced magnetic radiation, we did all kinds of things,” she said. “And, of course, everything was taking longer than it was supposed to.” At four in the morning, with one test still left to do—a simulation of a truck driver hitting his brakes nearby—they decided to pack it in. They drove home, leaving the instrument to gather data in peace. The signal arrived not long after, at 4:50 A.M. local time, passing through the two detectors within seven milliseconds of each other. It was four days before the start of Advanced LIGO’s first official run.

为了消除环境干扰，他们采取的各种措施可真是 painstaking 啊。但是，一旦把技术细节搞定了，马上就感应到引力波了。

我还要吐槽一下其实LIGO和LHC对年轻人都蛮难的。因为大部分时间是等啊熬啊，零敲碎打的。几千个人每人做一小块，工作不稳定，工资低，又难出人头地，谁要做啊。

这种等啊熬啊的事情不知能不能转给电脑或者 cloud 做。

笑嘻嘻 · Post by **笑嘻嘻** » 2016-02-11 17:29

真是抛砖引玉。西门继续写。

simonsun · Post by **simonsun** » 2016-02-11 21:21

Jun wrote:那么能不能推进统一场的理论呢？能不能把引力跟其他强力在理论上合并呢？

这个结果本身和统一场研究无关。

传统科学的定义和实验是紧密相关的。理论为的是描述世界，其正确与否，在于它是否能对可感知世界作出预测，并由实验证伪。可是今天的理论物理，比如宇宙学、弦论，很大程度上发展为纯数学纯思辨的形式，无法提出可验证的观测现象（或者在人类技术水平上无法实现，或者实验上无法同别的理论区分）。它们的优点是数学上一个比一个漂亮。一个著名的例子是平行宇宙。

这个趋势造成了很激烈的争论。某些科学家呼吁将这些学科逐出科学的范畴。

https://www.quantamagazine.org/20151216 ... f-science/
http://www.nature.com/news/scientific-m ... cs-1.16535

Jun wrote:
我还要吐槽一下其实LIGO和LHC对年轻人都蛮难的。因为大部分时间是等啊熬啊，零敲碎打的。几千个人每人做一小块，工作不稳定，工资低，又难出人头地，谁要做啊。
这种等啊熬啊的事情不知能不能转给电脑或者 cloud 做。

随着工程技术的进步，自动化应该越来越厉害，人为干涉会越来越少。

但是这个问题说到底是钱的问题。比如你把4公里的管道到处都铺上感应器，一漏气立刻就知道，那就不需要年轻人，可是要花两百万。同样你可以雇两个博士后，每年二十万，不但可以给你查漏气，还可以给你值夜班写程序……

什么时候感应器降价到二十万，就不需要年轻人爬管道了。

Jun · Post by **Jun** » 2016-02-11 21:40

simonsun wrote: 传统科学的定义和实验是紧密相关的。理论为的是描述世界，其正确与否，在于它是否能对可感知世界作出预测，并由实验证伪。可是今天的理论物理，比如宇宙学、弦论，很大程度上发展为纯数学纯思辨的形式，无法提出可验证的观测现象（或者在人类技术水平上无法实现，或者实验上无法同别的理论区分）。它们的优点是数学上一个比一个漂亮。一个著名的例子是平行宇宙。

这个趋势造成了很激烈的争论。某些科学家呼吁将这些学科逐出科学的范畴。

I know ... 这是个很大问题，但这并不是今天才有的问题，而是爱因斯坦自己开的先河。如果把没有实证的数学公式都逐出物理学，那二十世纪初的相对论也是一样，证据都是后来慢慢地找到的，象你说的那样，坐等技术设备出现了才能搞到数据。现在拿不到数据，难道就不推算了？

所以前年 BICEP 2 的数据没成真让人失望，如果 Big Bang 的背景引力波能接收到，说不定就能解决一些目前只存在数学范围的物理问题。

simonsun · Post by **simonsun** » 2016-02-11 22:42

你说的对。其实我想强调的是第二种。一个理论，本身无法提出可证伪的观测事实，或者说验证它提出的预测，所需要的条件在该理论和它依靠的理论基础上，原则上无法达成。

爱因斯坦的理论需要精度10的负22次方，这在当时固然无法达到，但并没有什么原则问题阻碍人类最终达到这个精度。但是比如说有一个模型，验证它的某个方面需要超过我们所在宇宙寿命的时间，或者需要超过我们所在宇宙信息的综合，那就无法达成，但这个模型仍然可以自洽很漂亮。比如平行宇宙，它的尺度超过了可观测宇宙的尺度，那人类也没有办法去探测。

不过这个和引力波没啥关系，我也不懂。不扯了。

simonsun · Post by **simonsun** » 2016-02-11 22:59

NYTime这文也挺好的。

http://www.nytimes.com/2016/02/12/scien ... stein.html

Jun · Post by **Jun** » 2016-02-11 23:30

我明白你的意思了，如果一个理论无法提出可供验证的假设，不能证伪，那怎么办？当然我更不懂这些，不知道哪些理论是有可能证实证伪哪些不能，据说 string theory 是这样的。但是统一场还是有可能的吧，毕竟相对论和量子力学都已经被屡次证实了，如果说本来宇宙里就不存在合并二者的规律好像太奇怪了。忘记在哪里看到，强力场与弱力场的统一，跟宏观的相对论与微观的量子力学的统一，是一条路上的或者一回事（别问我为什么）。收集更多的数据之后，说不定平行宇宙的问题就会有可证伪的新理论出来了。不过我同意理论一毛钱一打，总比有证据的理论（哪怕以后得修正）矮一头。

tiffany · Post by **tiffany** » 2016-02-12 0:13

薄厚每年20万，工资不低了。我很会抓重点的说。

simonsun · Post by **simonsun** » 2016-02-12 3:16

tiffany wrote:薄厚每年20万，工资不低了。我很会抓重点的说。

哪有，两个加起来20万，还有50% overhead

Jun · Post by **Jun** » 2016-02-12 21:57

孙同学来多八几句啊。

笑嘻嘻 · Post by **笑嘻嘻** » 2016-02-12 21:57

是啊。

simonsun · Post by **simonsun** » 2016-02-12 22:57

我去优胜美地长周末……回来再更吧

tiffany · Post by **tiffany** » 2016-02-13 0:26

simonsun wrote:你说的对。其实我想强调的是第二种。一个理论，本身无法提出可证伪的观测事实，或者说验证它提出的预测，所需要的条件在该理论和它依靠的理论基础上，原则上无法达成。

爱因斯坦的理论需要精度10的负22次方，这在当时固然无法达到，但并没有什么原则问题阻碍人类最终达到这个精度。但是比如说有一个模型，验证它的某个方面需要超过我们所在宇宙寿命的时间，或者需要超过我们所在宇宙信息的综合，那就无法达成，但这个模型仍然可以自洽很漂亮。比如平行宇宙，它的尺度超过了可观测宇宙的尺度，那人类也没有办法去探测。

不过这个和引力波没啥关系，我也不懂。不扯了。

西门说这么多，是不是想说这个理论不科学？

不能被证伪的理论都不科学，哪怕它是高精尖的物理问题。

simonsun · Post by **simonsun** » 2016-02-14 3:11

tiffany wrote: 西门说这么多，是不是想说这个理论不科学？
不能被证伪的理论都不科学，哪怕它是高精尖的物理问题。

倒不是我的意见。有好些物理学家这么想，还开了会讨论。上面我贴了两个链接。

https://www.quantamagazine.org/20151216 ... f-science/
http://www.nature.com/news/scientific-m ... cs-1.16535

Jun · Post by **Jun** » 2016-02-14 9:04

这件事争议很大，在物理学里也没有定论。问题是，人类手里的真实数据有限，不搞数学模型没地方去了，很多不想修大机器大管道坐等几十年但又想当爱因斯坦的物理学家不就得去玩数学么？

笑嘻嘻 · Post by **笑嘻嘻** » 2016-02-14 13:44

比如Sheldon?

tiffany · Post by **tiffany** » 2016-02-14 13:52

主要是思路的问题。理论如果不能有实验数据来支持，就是说可以证伪，应该按照传统定义，不是科学理论。

好比说一般没有可能设计出实验来证伪上帝存在这个命题，那么这个命题就不是一个科学命题。同样，如果从理论上就不能设计出实验来证伪平行宇宙存在这个命题，那么这个命题就不是科学命题。

putaopi · Post by **putaopi** » 2016-02-15 8:57

那么说平行宇宙不是科学命题，而是个信仰啦？

西门同学从Yosemite回来了吗？这几天天气好，正是早春的好时光，瀑布水多吗？

simonsun · Post by **simonsun** » 2016-02-16 23:16

比前两年多一些。这周火瀑布开始了，实在是太美了！

tiffany · Post by **tiffany** » 2016-02-16 23:17

西门小朋友真会玩儿啊

simonsun · Post by **simonsun** » 2016-02-16 23:19

tiffany wrote:主要是思路的问题。理论如果不能有实验数据来支持，就是说可以证伪，应该按照传统定义，不是科学理论。

好比说一般没有可能设计出实验来证伪上帝存在这个命题，那么这个命题就不是一个科学命题。同样，如果从理论上就不能设计出实验来证伪平行宇宙存在这个命题，那么这个命题就不是科学命题。

这是传统的看法，大部分人应该是这么认为的。可是这些年，理论物理宇宙学建立起来的几个分支偏偏不是这样。

人家占了山头，有了名声，你再来说人家不是科学，操作起来不容易。

笑嘻嘻 · Post by **笑嘻嘻** » 2016-02-17 22:39

火瀑布需要走多远能看到？大家是不是都得提前占位？

simonsun · Post by **simonsun** » 2016-02-17 22:47

笑嘻嘻 wrote:火瀑布需要走多远能看到？大家是不是都得提前占位？

直接开到底下，看的位置有的是。趴车的话我们到的时候路边还有位置。再走远点，走个五分十分钟的，有的是位置。

不过每年只有这两周有得看，需要落日角度正好。

笑嘻嘻 · Post by **笑嘻嘻** » 2016-02-17 22:50

是。我一直听说。就是不知道难易程度，毕竟现在出门都得带娃。

simonsun · Post by **simonsun** » 2016-02-18 2:39

带娃没问题。当天来回比较辛苦，不妨住一晚。

笑嘻嘻 · Post by **笑嘻嘻** » 2016-02-18 13:37

好的好的。

simonsun · Post by **simonsun** » 2016-02-20 4:08

更了一些。累死我了

tiffany · Post by **tiffany** » 2016-02-20 7:12

找不到，单发出来吧

Jun · Post by **Jun** » 2016-02-20 10:30

孙同学写得太精彩了，好看好看！！！！

所以物理学里很多人受不了了之后，去专攻理论，然后就越说越玄了，我觉得完全可以理解。搞实验的需要越来越大的工程，从 LHC 到 LIGO 到 BICEP ，钱，人力，政治，时间，都耗不起啊，冷战之后政府资金又越来越少。很多人还想做爱因斯坦呢，一支笔算算就出来了。

白博太懒了，人家都划出更新分割线了。

笑嘻嘻 · Post by **笑嘻嘻** » 2016-02-20 10:49

太好看了！化博士的文章我在朋友圈看过，但是我朋友圈的文章都是七零八落的。远没有西门这样放到大图里讲有意思。再多说点？

tiffany · Post by **tiffany** » 2016-02-20 15:50

你们太不体贴捧着手机上网的人了。

simonsun · Post by **simonsun** » 2016-02-20 16:27

tiffany wrote:你们太不体贴捧着手机上网的人了。

我没料啦。之后有后续研究讲座什么的再来更。

笑嘻嘻 · Post by **笑嘻嘻** » 2016-02-20 18:03

孙同学。等后续。

小白，我都是用手机上网啊。

simonsun · Post by **simonsun** » 2016-02-25 16:29

Colbert & Greene!

https://www.youtube.com/watch?v=ajZojAwfEbs

Jun · Post by **Jun** » 2016-02-25 20:54

simonsun wrote:Colbert & Greene!

https://www.youtube.com/watch?v=ajZojAwfEbs

Brian Greene 做科普真的很棒，讲得好清楚啊，连镭射光波都上来了太赞了。

tiffany · Post by **tiffany** » 2016-02-25 22:03

赞下西门。真的挺好玩儿的，听人说的话。自己做太苦闷了。就。

simonsun · Post by **simonsun** » 2016-02-26 2:35

tiffany wrote:赞下西门。真的挺好玩儿的，听人说的话。自己做太苦闷了。就。

还好……各人有各人的乐趣咯。嫌苦的能走都走掉了，嫌苦又走不掉的到哪里都是苦，也不怪这行当。