引力波獵手

摘 要 第一部分是作者于2017年9月21日對第二屆復旦-中植科學獎的科學背景介紹，包括對三位獲獎者對引力波探測突出貢獻的簡要評述。正是這三位獲獎者12天之后獲得了諾貝爾物理學獎。第二部分是作者在諾貝爾物理學獎宣布3天前對可能獲獎人的評述。最后，將前兩部分與諾貝爾物理學獎的官方新聞發布略作比較，并討論了引力波探測的后續成果。

關鍵詞 引力波 LIGO 時空復旦-中植科學獎 諾貝爾獎

一 三位引力波獵手，獲第二屆

“復旦-中植科學獎”

13億年前，宇宙中有兩個黑洞相互碰撞，而且并合成一個大黑洞，發出引力波。

引力波以光速向四周傳播，經過13億年在各個方向的長途跋涉，于2015年9月14日穿過誕生于45億年前的地球。

在地球上，人類的演化歷史，也只不過200多萬年，現代人類只有20多萬年的歷史。100年多前，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）聲稱宇宙中存在引力波。

2002年，激光干涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，縮寫為LIGO）開始工作，13年后探測到代號為GW150914的引力波，事實上，在這個引力波到達的兩天前，升級后的LIGO剛開始工作，9月14日恰好捕捉到它，這是人類第一次直接探測到引力波。

波是某種振動的傳播，如水波、聲波等。顧名思義，引力波就是“引力的波”。引力波超越了牛頓引力理論。

300多年前，艾薩克·牛頓（Isaac Newton）說，任何兩個有質量的物體之間存在萬有引力，而且這個引力是瞬時的，也就說，物體之間引力的傳遞不需要時間。牛頓解釋了為什么地球圍繞太陽轉，為什么樹上的蘋果會落地。

然而愛因斯坦1905年創立的狹義相對論指出，任何信號的傳遞不可能超過光速，時間和空間成為整體，稱為時空。在相互勻速運動的不同觀察者看來，同一事件的時間坐標和空間坐標都不一樣，但是總的時空間隔保持不變。

十年之后，愛因斯坦又將引力納入相對論的框架，創立廣義相對論，指出萬有引力就是時空的彎曲，由此決定物質的運動。用索恩的導師、美國著名物理學家約翰·惠勒（John Wheeler）的話說：“物質告訴時空如何彎曲；彎曲的時空告訴物質如何運動。”物質之間的引力，需要時間來傳遞。

這就好比在席夢思床墊上，一個物體引起床墊變形，變形向四周傳遞，導致另一個物體受力情況的改變，似乎受到前一個物體的吸引力。這個床墊扮演了類似時空的角色。

1916年，愛因斯坦根據廣義相對論，預言了引力波。

引力源質量分布的改變，導致它對其他物體引力的改變，這種改變以光速傳播開來，就是引力波。既然引力是時空彎曲，那么引力波也就是“時空的漣漪”，即時空彎曲情況隨時間變化、在空間傳播（圖2）。引力波到達之處，在垂直于傳播方向的平面上，任何長度都會振蕩，而且在互相垂直的任意兩個方向上步調相反。因為牛頓力學中沒有引力波，所以引力波的觀測也就驗證了廣義相對論。

通常物體間的引力很弱。但宇宙天體的質量巨大，所以它們之間的引力很大。理論表明，引力波主要來自宇宙中的超新星爆發、中子星、黑洞等致密天體以及宇宙大爆炸。

引力波很難探測，因為最強的引力波導致的相對長度變化也只有0.001（其中小數點后面有21個0）。

1974年，拉塞爾·艾倫·赫爾斯（Russell Alan Hulse）和約瑟夫·胡頓·泰勒（Joseph Hooton Taylor）發現引力波導致一個中子星和與之互相環繞的伴星之間的距離越來越小，因此獲1993年諾貝爾物理學獎，但直到2015年，引力波還沒有被直接探測到。

引力波如何被探測到？激光干涉引力波天文臺（LIGO）的探測原理基于激光干涉。LIGO包括兩個同樣的探測器，它們相距3002公里，分別位于美國華盛頓州與路易斯安那州。兩個探測器共同工作，可排除其他信號，比如地震。每個探測器是一個巨大的邁克爾遜干涉儀（圖3），有兩個互相垂直的、約4公里長的臂，構成L-形。一束激光分成兩束，分別進入兩臂。在每個臂中，激光被兩端的鏡子來回反射多次。最后兩束激光再疊加起來，這就是干涉。疊加（干涉）以后的光強決定于兩臂長度差，所以用來測量兩臂長度差。

引力波經過探測器時，每個臂的長度都時長時短地振蕩，而且步調相反，一個臂變長時，另一個變短。所以兩臂長度差也在振蕩，從而激光干涉的光強也在振蕩。由此就可以反推出引力波的性質（圖4，圖5）。

LIGO測到，干涉儀的臂發生了4×10-19米的長度改變。作為人類歷史上最精密的測量，這里的測量技術與量子物理相關。

2016年2月11日，LIGO合作組宣布，他們于2015年9月14日探測到了引力波，它來自一個質量為36太陽質量的黑洞與一個29太陽質量的黑洞的碰撞，然后并合為一個62太陽質量的黑洞，失去的3太陽質量轉化為引力波的能量。“太陽質量”是天體質量的單位，1個太陽質量意思就是說，它的質量等于太陽的質量。

2015年12月26日和2017年1月4日，LIGO又先后兩次探測到黑洞并合產生的引力波。

很多科學家對LIGO的成功作出了貢獻。特別一提的是，最早提出用激光干涉儀探測引力波并作噪聲分析的雷納·韋斯（Rainer Weiss）、對激光干涉儀的穩定性和敏感性作出重要貢獻的羅納德·德雷弗（Ronald Drever）、對引力波探測和LIGO作了很多理論工作的基普·索恩（Kip Stephen Thorne）以及建立LIGO國際合作并將其轉化為大科學的巴里·巴里什（Barry Clark Barish）。不幸的是，德雷弗于2017年3月去世。

“復旦-中植科學獎”由復旦大學和中植企業集團合作設立，以表彰在數學、物理學和生物醫學三個學科領域做出原創性杰出貢獻的全球科學家。該獎項每三年在這三個學科領域中輪流評獎，今年將授予在物理學領域做出杰出貢獻的科學家。

“復旦-中植科學獎”理事會決議，將2017年“復旦-中植科學獎”授予：

雷納·韋斯（Rainer Weiss），麻省理工學院教授：發明的激光干涉引力波探測器是LIGO裝置的基礎。他首次分析了探測器的主要噪聲來源，并領導了LIGO儀器科學的研究，最終使LIGO達到了足夠的靈敏度，在人類歷史上第一次探測到了引力波。

基普·索恩（Kip S. Thorne），加州理工學院教授：奠定了引力波探測的理論基礎，他開創了引力波波形計算以及數據分析的研究方向，并對LIGO儀器科學做出了重要貢獻，特別是提出了量子計量學理論的一系列基本概念。

巴里·巴里什（Barry Barish），加州理工學院教授：領導了LIGO建設及初期運行，建立了LIGO國際科學合作，他把LIGO從幾個研究小組從事的小科學成功地轉化成了涉及眾多成員并且依賴大規模設備的大科學，最終使引力波探測成為可能。

LIGO探測到引力波，意義不僅在于直接驗證廣義相對論預言的引力波的存在，還在于開啟了對強引力以及黑洞的直接觀測，打開了認識宇宙的一個新窗口。在這之前，我們關于宇宙的信息來自宇宙中傳來的電磁波和高能粒子，而引力波帶來了主宰宇宙的引力的直接信息。

二 引力波得諾貝爾物理學獎？可能還有神秘人物來分享

去年諾貝爾物理學獎公布前，我認為不會授予當年2月宣布的引力波的發現，而是會授予凝聚態物理中的拓撲方向。今年年初，我在“知識分子”年會演講中說引力波的直接探測將獲得2017年諾貝爾物理學獎。

對LIGO直接探測到引力波的科學貢獻最大的是：最早提出用激光干涉儀探測引力波并作噪聲分析的雷納·韋斯、對激光干涉儀的穩定性和敏感性作出重要貢獻的羅納德·德雷弗、對引力波探測和LIGO作了很多理論工作的基普·索恩。而巴里·巴里什對建立LIGO國際合作并將其轉化為大科學作出了關鍵貢獻。

最近，復旦-中植獎授予了韋斯、索恩和巴里什。

德雷弗2017年3月7日不幸去世。

我覺得，今年的諾貝爾物理學獎確實會授予對LIGO作出杰出科學貢獻的韋斯和索恩。

但是，每項諾貝爾獎可以授予一到三人，那第三個機會是給予巴里什還是放棄？

我覺得都不會。

我覺得第三個獲獎者可能是：

①

斯蒂芬·霍金（Stephen William Hawking）！

是的，當今最著名的理論物理學家霍金。長期以來，天下人都知道，他對引力和宇宙學的貢獻是偉大的，但是難以得到實驗證實。

然而，引力波的直接探測已經改變了這一點，也就是說，他有一部分工作與之關系密切！

霍金早年曾證明愛因斯坦方程的具有平滑視界的定態解必須是軸對稱的。

1970年，他提出，黑洞的視界面積不會減小。接著又以此為第二定律，與巴丁（James Bardeen）和卡特（Bradon Carter）提出黑洞動力學四定律。

他與卡特、伊斯雷爾（Werner Israel）和羅賓遜（David C. Robinson）在某些前提條件下證明了惠勒（John Wheeler）猜想的“黑洞無發定理”：黑洞只需要由質量、電荷和轉動角動量描述。

1971年，他還利用面積不減定理研究了黑洞碰撞產生的引力波的能量上限。據稱他還設計過引力波探測器。

迄今，已公布了四次引力波事件：前三次都是LIGO的兩個探測器的結果；最近一次，即9月27日公布的結果，是位于意大利的VIRGO探測器與LIGO的兩個探測器聯合工作的結果；另外還有一次置信度低的事件。這些都是黑洞并合導致的引力波。每次黑洞并合成的大黑洞質量都小于原來兩個小黑洞的質量之和，失去的質量轉化為引力波的能量。

可以驗證，每次得到的大黑洞的質量的平方都大于原來的兩個小黑洞的質量平方之和。因為黑洞的視界面積正比于質量的平方，所以這就驗證了面積不減定理——即霍金的觀點。

綜上所述，我猜測2017年諾貝爾物理學獎可能授予對引力波直接探測及黑洞物理作出杰出貢獻的科學家：

雷納 · 韋斯：最早發明用激光干涉探測引力波并作噪聲分析，領導了LIGO研究。

基普 · 索恩：引力波探測與LIGO的理論工作以及相關的量子測量理論。

斯蒂芬 · 霍金： 關于廣義相對論、黑洞和引力波的一系列理論工作，包括軸對稱證明、面積不減定理、黑洞碰撞產生的引力波能量上限。

諾貝爾獎頒獎詞會強調，LIGO直接探測到黑洞并合產生的引力波，不僅是驗證了廣義相對論和引力波的存在，更重要的是打開了觀測宇宙的新窗口，實現了強引力區和黑洞的直接觀測。

三 后續

以上兩部分原是筆者在諾貝爾獎宣布前發表于微信公眾號的兩篇文章，其中第一部分也是作者在復旦-中植科學獎新聞發布會上所作的科學背景介紹（圖6）。

在上面第二部分里提到了一個新結果，那是在復旦-中植科學獎宣布的6天后，9月27日，LIGO和靠近意大利比薩的引力波天文臺VIRGO宣布，他們于8月14日，共同探測到一次黑洞并合產生的引力波。

10月3日，瑞典皇家科學院宣布①，2017年諾貝爾物理學獎一半授予韋斯，另一半授予索恩和巴里什，“因為他們對LIGO探測器和引力波觀測的決定性貢獻（for decisive contributions to the LIGO detector and the observation of gravitational waves）”。

對于三位科學家各自的貢獻，諾貝爾獎官方新聞發布并沒有如復旦-中植獎決議中那樣做詳細介紹，也沒有如本文作者那樣每人做一句話的總結。在中國，很多諾獎報道和評論不加注明地使用了筆者9月22日微信文章（即本文第一部分）的內容②，甚至沿用了與諾獎不同的復旦-中植獎獲獎人順序和本文所用照片。

筆者將諾獎官方新聞發布的開頭試譯如下③：

2015年9月14日，宇宙中的引力波被第一次觀察到。愛因斯坦一百年前預言的這個波來自兩個黑洞的碰撞。這個波花了13億年到達美國LIGO探測器。信號到達地球時特別弱，但是已經能夠帶來天體物理的革命。引力波是觀察空間中最激烈的事件、檢驗我們知識范圍的全新的途徑。

將結尾試譯如下：

到目前為止所有的電磁輻射和粒子，比如宇宙線和中微子，已經被用來探索宇宙。 但是，引力波是時空本身的撕裂的直接證明。這是全新而且不同的，打開了沒有見過的世界。大量的發現等待著成功捕捉這種波而且詮釋它們的訊息的人。

筆者感到非常高興的是，諾獎官方新聞發布的開頭和結尾與筆者的第一篇文章內容和第二篇文章對頒獎詞的期待都是一致的，特別是，筆者第一篇文章結尾包含了諾獎官方新聞發布結尾的信息：

LIGO探測到引力波，意義不僅在于直接驗證廣義相對論預言的引力波的存在，還在于開啟了對強引力以及黑洞的直接觀測，打開了認識宇宙的一個新窗口。在這之前，我們關于宇宙的信息來自宇宙中傳來的電磁波和高能粒子，而引力波帶來了主宰宇宙的引力的直接信息。[1]

在10月4日的諾獎解讀中，筆者寫道：

可以期待，引力波的觀測將會更加常態化，引力波天文學將會發展起來，其他引力波源，比如中子星并合、超新星爆發等等將來也應該會被觀測到。[3]

話音剛落，這句話被應驗了。10月16日，LIGO和VIRGO又宣布，他們于8月17日第一次觀測到兩個中子星并合產生的引力波。這個事件還產生了短伽馬射線暴，被費米（Fermi）伽馬射線空間望遠鏡衛星和國際伽馬射線天體物理學實驗室衛星（INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory Fermi，簡稱INTEGRAL）的伽馬射線探測器探測到。全球70多個涵蓋各個電磁波波段的望遠鏡對這個伽馬射線暴的余輝進行了觀測，確定它位于長蛇座的星系NGC 4993。觀測結果認定了這是一個中子星碰撞并合過程，導致短伽馬射線爆，并表明中子星碰撞導致快速中子俘獲過程，是合成金、鉑等比鐵重的元素的主要來源，而且所產生的放射性原子核的衰變還導致被稱作千新星的強烈電磁輻射。引力波天文臺與傳統天文望遠鏡合作觀測中子星并合表明，引力波和電磁波的探測可以協同進行，標志著引力波天文學，乃至多信使天文學確實開始了。

11月15日，LIGO又宣布了6月8日探測到的一次黑洞并合產生的引力波。所以總共觀測到5次黑洞并合產生的引力波，1次中子星并合產生的引力波。另外，2015年10月12日，LIGO曾探測到一次可信度較低的信號，有87%的可能性源自天體物理事件。

有趣的是，在LIGO官方網站上①，復旦-中植科學獎、LIGO和VIRGO共同探測到引力波、諾貝爾獎、中子星碰撞和最近一次宣布的引力波事件等5條新聞依次排列（圖7）。

參考文獻

[1]施郁. 三位引力波獵手， 獲第二屆“復旦-中植科學獎”[Z].知識分子， 2017-09-22.

[2]施郁. 引力波得諾貝爾物理學獎？可能還有神秘人物來分享？[Z]. 果殼科學人，2017-09-30.

[3]施郁. 為什么今年物理諾獎毫無懸念？[Z]. 知識分子， 2017-10-04.

Abstract： The first part of this article is the scientific introduction the author made in the news conference of the Second Fudan-Zhongzhi Science Award on September 21， 2017， including the brief commentary on the three awardees crucial contributions to gravitational wave detection. The three awardees shared the 2017 Nobel Prize in Physics 12 days later. The second part of this article is the commentary the author made 3 days before the announcement of the Nobel Prize. Finally， abrief comparison is made between these two parts and the official news release of the Nobel Prize in Physics， and the subsequent achievements in gravitational wave detection are discussed.

Keywords： gravitational waves， LIGO， spacetime， Fudan-Zhongzhi Science Award， Nobel Prize