引力波

褚君浩 茍利軍 李醒民 張宏寶

編者按：

今年大年初四——2016年2月11日注定是不平凡的一天，當舉國正沉浸于春節的喜慶祥和之時，一個轟動世界的科學新聞讓傳統的節日增加了一抹科技色彩，北京時間23點30分，美國國家自然科學基金會攜加州理工、麻省理工和LIGO科學合作組織（LSC）的專家向全世界宣布：美國的LIGO（激光干涉引力波觀測站）首次直接探測到了來自于距離地球13億光年之外的兩個黑洞合并過程中發射出的引力波信號，愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最后一塊缺失的“拼圖”被填補。

毫無疑問，引力波是基礎科學的前沿話題，當我們被各種形式鋪天蓋地的引力波信息“洗腦”的時候，我們不禁要問，引力波是什么，廣義相對論是什么，愛因斯坦和引力波有什么關系，引力波的發現對我們意味著什么？本刊特此邀請中科院上海技術物理研究所研究員、華東師范大學信息學院院長、中國科學院院士褚君浩，中國科學院國家天文臺研究員、恒星級黑洞創新團組負責人、中國科學院大學教授茍利軍，中國科學院大學教授李醒民，北京師范大學物理系助理教授張宏寶從科學與人文的視角為您解讀，讓我們走進引力波，讓引力波不再神秘。

什么是引力波

褚君浩：

引力波是愛因斯坦廣義相對論的結果，廣義相對論是關于引力和時間、空間的理論。總的思想是把引力問題變成黎曼幾何的空間彎曲問題，認為萬有引力是由于質量產生的時空彎曲所致。這樣，引力的作用被消掉，成為一個空間彎曲的概念。在他的場方程里有一個解，就是引力波解，引力波解是其中的一個結果。

其實，廣義相對論有好多結果都已經被實驗驗證。第一個例子是水星近日點的進動。距離太陽最近的依次是水星、金星、地球，水星離太陽最近，走橢圓型軌道，并且橢圓軌道又以太陽為中心在轉圈（進動），大概300萬年轉一圈。這是牛頓力學不能理解的水星軌道近日點的異常進動，在實驗上已經驗證。另一個例子是光譜線引力紅移，同樣原子的光譜線，在地球上是一個波長，但是從太陽上發出的同樣原子的光譜線有一個紅移，主要因為引力場使光子能量降低，發生紅移，這一現象已在上世紀60年代由美國科學家證實。第三個例子，廣義相對論還預言光線在通過強引力場附近時會發生彎曲，這一現象由愛丁頓于1919年證實。在日全食的時候，我們可以看到太陽輪廓邊上從后面傳來的星光有一個偏轉，這個偏轉就是因為太陽的引力對光線的作用，或者說由于太陽的引力引起空間彎曲。光線還是沿直線傳播，但是如果光線在一個彎曲空間傳播，就會有角度。這幾個例子證明，廣義相對論經過了天文觀察的驗證。

廣義相對論另外一個非經典結果就是引力波，愛因斯坦和羅森研究了嚴格的非線性場方程的波動解，發現一個圓柱波解，就是引力波。實際上，光、無線電波、wifi都是電磁波，只要帶電粒子加速運動都會發射出電磁波。同樣，任何一個帶質量物體，只要做加速運動，都會發出引力波。所以，這次觀測到的13億光年遠處的兩個黑洞從原來分開到互相吸引合并到一起的過程，一直在旋轉，并且做加速運動，就會發出引力波，從遙遠的地方經過13億光年傳到我們這里來。

引力波跟電磁波特點不同，電磁波是平面波，引力波是圓柱波，圓柱波是什么概念，比如橫的方向壓縮、縱的方向就拉伸；橫的方向拉伸、縱的方向就壓縮；就像一條蚯蚓在地上爬，爬一爬，縮一縮。所以圓柱波是一個方向膨脹一個方向收縮，不斷往空間傳，這就是非線性場方程的結果。但是引力波非常弱，一定要很大的質量，做加速運動，發出的引力波我們才能看到。

引力波能帶來什么

茍利軍：

對于“波”，我們并不陌生，生活中時常會聽到無線電波、電磁波、聲波、光波等等，引力波也是波的一種。

17世紀末的物理學家牛頓看到了下落的蘋果，意識到物體之間普遍存在一種力，稱之為“引力”，并且將其數學化，這就是我們熟知的萬有引力。萬有引力認識的精髓是物體質量的存在導致了引力，這在牛頓之后的200多年里被認為是宇宙間的絕對真理。直到1905年狹義相對論發表，1915年廣義相對論發表，愛因斯坦提出了一種完全不同的對于引力的看法：引力是因為質量對于時空造成了變形所導致，而非質量之間的吸引。這就意味著，時空可被當做一種可以變形的介質來認識。所以引力波，簡單來說，就是時空自身的波動。相比較我們熟知的無線電波（或者電磁波），它僅僅是在時空之中傳播的，時空是它的媒介。

人們常說“星辰大海”，如果將時空視作海洋，那么天體就如同海洋生物一般。可以想象，如果大海中的某個生物搖了搖尾巴，或是晃了晃頭，海水由此所產生的波動就會向外傳播。與此類似，宇宙中某個天體的劇烈活動，會對所在的時空產生擾動，時空自身的波動也會向遠處傳播，如果足夠強，就能夠為地球上的我們所感知。

在引力世界中，我們的宇宙通常是平靜的。可是在北京時間2015年9月14日17點50分45秒，地球上的LIGO探測器卻探測到了來自于宇宙深處距離地球13億光年之外的一場引力風暴，來自于一個雙黑洞系統的合并，以它的探測日期命名為 GW150914。

褚君浩：

引力波的發現有什么用？第一，讓人類認識宇宙增加了一個通道。本來看宇宙用的眼睛是光學望遠鏡，靠光傳播信息，或者射電望遠鏡靠無線電波，不管是光還是別的，都是電磁波。所以，人類的手段就是電磁波和光，現在增加了引力波，可以收到從遙遠天空傳來的信息。除了電磁波人類可以接收之外，從今天起可以觀測到從宇宙空間傳來的引力波。所以，引力波為人類認識宇宙打開了一個新的通道。這是非常重要的意義。就像過去沒有火，現在有了火；過去不認識光，現在認識光；過去不知道有無線電波，現在有無線電波。過去沒有看到引力波，現在從理論和實驗上都證明引力波存在，這是個重要通道。引力波這么難看到，能解決什么問題呢？震蕩系統、雙黑洞、雙星系統、天體起源、暗物質等好多宇宙空間變化的問題都可以認識，所以意義重大。這只是一個開始，有了這個開始，以后可以研究，怎么讓這個手段更加靈敏，就像觀測望遠鏡，原來可以看多遠，現在可以看更遠，無線電設備的靈敏度也越來越高，所以引力波研究肯定還要發展，可以發展得更為靈敏，作為一個觀測工具，可以更加有效。

另外一個非常重要的意義是，提供了物理上一個重要依據，可以研究引力、電磁力、強相互作用和弱相互作用之間的關聯。目前，電磁力和引力是分開的兩種力，麥克斯韋方程電磁波理論和愛因斯坦重力場廣義相對論是分開的，現在通過引力波的觀測多了一個手段，可以研究電磁力和引力在更深層次上有沒有內在關系；研究實物和場的本源與聯系等。將來進一步深入研究這樣的問題，為我們探索宇宙的奧秘，提供了一種可能性，意義深遠。

引力波這么弱，看也看不到，對我們日常生活會有什么影響？隨著研究深入，逐步還是會引起一些變化的，就像電磁波剛被發現時是不知道有什么用的。所以，首先要把問題認識清楚，比如引力波的規律是什么樣？它的發生、傳播、探測的規律如何，怎么轉化，跟其他物質運動間的轉化關系怎么樣？那樣應用問題就會體現出來。就像電磁波被研究清楚以后，應用越來越廣泛，最初只是電報和電話的應用，沒想到現在會有這么多的重要應用。所以，對引力波的認識也是，研究到一定深度以后，會對我們人類有一定的用處，會促進我們人類的科技發展更快一些。尤其是對外太空的更深層次認識，會有一些顛覆性的發現，這是一個新的起點。

愛因斯坦與引力波

茍利軍：

毫無疑問引力波是對廣義相對論的一個最直接驗證。另外，它在弱場中已經得到驗證，但是對于強引力之下的驗證，之前卻從來沒有驗證過。所以此次的觀測，是對廣義相對論的一個非常好的檢驗。

引力波以光速傳播，它與物質的相互作用非常非常的弱，所以引力波可以提供給我們宇宙幾乎無阻擋的圖景，而這幾乎是無法利用我們熟知的電磁波來達到。比如，利用引力波，我們可以看到宇宙的最早期，宇宙大爆炸之后的1.0E-36秒開始的宇宙形成過程，而對于電磁波，它最早只能看到大爆炸后的大約300， 000年之后的宇宙歷史，在此之前，電磁波是不能給我們提供的。所以引力波是我們了解宇宙形成的最好工具。

如果還記得，在《星際穿越》電影中的結尾之時，主人公庫珀身處一個5維時空的超體方體中，為了將從黑洞中心所提取的信息傳遞給身處4維時空的女兒墨菲，人為的制造引力波效應，成功將信息傳遞，從而人類得以解救。引力波從目前物理學家的認識看，是唯一一種可以在不同維度傳播的波。不同宇宙之間的碰撞，會產生引力波。說不定在不遠的將來，我們也可以依靠引力波來判斷多重宇宙的存在與否。

一個天生的聾啞人，一直在聽別人說聲音的存在，突然有一天聽力恢復了。我想我們此刻的心情也是差不多如此。引力波給我們打開了一扇全新的窗口。引力波是一種方式，是一種看待世界的方式。歷史發現的軌跡告訴我們，每一扇新的窗口被打開，都會有令人稱奇的發現。雖然LIGO的探測能力還是有限，一旦引力波的世界被撬開一道小的裂縫，讓我們看到春天的種子，相信碩果累累的引力波豐收季節也不會太遠。

張宏寶：

直接探測到引力波自然是愛因斯坦廣義相對論這一理性杰作的又一勝利。過去，我們主要是通過電磁波來觀察這個神奇的世界，過去的天文學，不妨可以稱作電磁波天文學。各類天文望遠鏡可以看作是對人眼的自然延伸，都是通過遠處傳來的光觀測。所不同的是，人眼只對紅橙黃綠藍靛紫的可見光敏感，而天文望遠鏡可以覆蓋電磁波全波段，從較長的射電波段一直到很短的伽馬射線（都是電磁波，只是波長長短不一樣而已。根據量子力學，光波也是粒子，即光子，波長長的對應的能量低，而波長短的對應的能量高。X射線波長較短，能量較高，所以沒事別太多去拍片，讓這些高能光子把你身體的細胞結構給轟炸壞了）。盡管如此，天文學在過去因為光業已取得了無數發現，而且將會繼續引領我們奔向遠方。

舊的時代依然在繼續，而因為引力波，新的時代正在徐步向我們走來。有了引力波，我們便又多了一個觸角。特別是，我們可以利用這個探針，觸及到電磁波不能觸及到的宇宙深處。從而使我們可以飛到時間的起點，徹底揭開宇宙起源之謎。這天文學的新時代即引力波天文學。建造引力波天文望遠鏡不僅能使我們探測到引力波以體驗愛因斯坦廣義相對論的美麗和真實，更能使我們觸及電磁波天文望遠鏡所望塵莫及的宇宙深處，進而揭開上帝最后一層面紗（因為引力很弱，所以引力波很難被激發產生，也很難被觀測；但另一方面，因為引力很弱，引力波從波源到我們地球的旅程中，幾乎不受沿途風景的引誘，而甘愿作一個孤獨的行者，一往無前，把波源處的訊息無污染地攜帶過來）。

李醒民：

繼愛因斯坦在其“幸運年”1905年接連發表3篇劃時代的論文（光量子論、布朗運動理論和狹義相對論）之后，他一鼓作氣，沖破重重困難和阻礙，終于在10年之后的1915年構建起廣義相對論的宏偉大廈。當時，愛因斯坦曾經提出對該理論的三個檢驗：內行星軌道近日點的進動，太陽引起的星光偏折，光譜線的引力紅移。關于第一項，愛因斯坦在1915年和1916年的論文中對此已經做出完滿的解釋，使長期困擾科學家的疑團煥然冰釋。關于第二項，愛丁頓在1919年通過對在巴西的索布拉爾和幾內亞灣的普林西比島觀測數據的處理，證實在日全食時經過太陽附近的星光的偏折值與愛因斯坦的預言相當符合。關于第三項，亞當斯在1924年通過對天狼星伴星的觀察，確認它發出的光線向譜線的紅端移動。

不僅如此，廣義相對論引力方程的近似積分方法也導致以光速傳播的引力波的存在，為此愛因斯坦專門撰文，考察了“由力學體系發射的引力波”和“引力波對力學體系的作用”。根據廣義相對論，在宇宙中，在非球對稱的物質分布情況下，在諸如致密星碰撞或并合的物理過程中，就會擾動和扭曲周圍時空，并以引力波形式向外傳播。起初，引力波只是愛因斯坦廣義相對論的一個推論或思想構想，而非真實的實驗觀察。由于引力波十分微弱，科學家長時間苦苦尋覓，依然一無所得，真可謂“上窮碧落下黃泉，兩處茫茫皆不見”。為此，一些科學家甚至質疑是否真的有引力波。在1960年前后，引力波的物理意義開始明朗：它可以被看做是引力相互作用的傳播，并且攜帶著引力能。直到1974年，泰勒和赫爾斯發現銀河中一對中子星的軌道慢慢縮小，幅度符合引力波能量流失的速率，從而間接證明了引力波的存在。由于這項研究，兩位科學家贏得1993年諾貝爾物理學獎。而這次探測到的引力波，則是13億光年之外的兩顆黑洞（初始質量分別為29顆太陽和36顆太陽）在合并的最后階段產生的，其虧損的質量以引力波形式釋放到宇宙空間，經過13億光年的漫長旅行，終于抵達地球。從此，黑洞不再是科幻作品中的神奇事物，我們實實在在地觀察到黑洞附近空時的高度扭曲和脈動。

引力波探測的成功，是科學界的一個重要里程碑。它不僅填補了廣義相對論實驗驗證中最后一塊缺失的拼圖，使現代物理學的根基更加堅實，而且也意味著科學家打開了揭示宇宙奧秘的窗口，有助于了解宇宙的起源和演化機制，據稱將引發一場天文學的革命。它還可能促進引力量子化的研究，最終把引力融入其它三種基本相互作用，完成愛因斯坦統一場論的宏大夢想。難怪一位物理學家如此形容自己聞知探測結果的激動之情：“堂堂男子漢很少哭，當時心中忽然暖流涌動，但還是強忍未哭。那是一種強烈的感動，感動得不哭不足以宣泄情感。整個新聞發布會上，我一直強忍著。”

愛因斯坦不愧是20世紀最偉大的科學天才，他居然在某種程度上能夠先知先覺百年后的事變。說實在的，按照諾貝爾獎的評價標準，愛因斯坦的科學成果完全可以贏得十余次科學獎，例如光量子論、光電效應定律、布朗運動理論、狹義相對論、質能關系式、固體比熱量子論、受激輻射理論、玻色-愛因斯坦統計、廣義相對論、引力波、宇宙學、統一場論等。其中前5項成果，均發表于愛因斯坦的“幸運年”，當時他年僅26歲。其中，廣義相對論（它把牛頓引力理論和狹義相對論囊括其中）這座理論大廈最為美輪美奐。誠如玻恩所說：“對于廣義相對論的提出，我過去和現在都認為是人類認識大自然的最偉大的成果，它把哲學的深奧、物理學的直觀和數學的技藝令人驚嘆地結合在一起。”我本人曾經這樣評論相對論的宏偉體系：“相對論猶如一座瓊樓玉宇，其外部結構之華美雅致，其內藏觀念之珍美新奇，都是無與倫比的。相對論的邏輯前提是兩條在邏輯上再簡單不過的原理，它們卻像厄瑞克泰翁廟的優美的女像柱一樣，支撐著內涵豐盈的龐大理論體系而毫無重壓之感。其建筑風格是高度對稱的，從基石到頂蓋莫不如此。四維時空連續統顯示出精確的貫穿始終的對稱性原理，也蘊涵著從日常經驗來看決不是顯而易見的不變性或協變性。空時對稱性規定著其他的對稱性：電荷和電流、電場和磁場、能量和動量等的對稱性。正如外爾所言，整個相對論只不過是對稱的另一個方面；四維連續統的對稱性（不變性）、相對性或齊性首次被愛因斯坦描述出來，相對論處理的正是四維空時連續統的固有對稱。在這樣高度對稱的瓊樓玉宇中，又陳放著諸多奇異的觀念——四維世界、彎曲時空、廣義協變、尺縮鐘慢等——從而通過均衡中的奇異顯示出更為卓著的美！”我覺得，相對論的物理意義迄今并未被透徹認識，其中蘊含的寶藏并未被完全發掘，它期待科學家進一步的拓展和深化。