發(fā)現(xiàn)引力波
——2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)解讀

張雙南

中國科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049

發(fā)現(xiàn)引力波
——2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)解讀

張雙南?

中國科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049

2017年10月3日，終于到了宣布2017年物理學(xué)獎(jiǎng)的時(shí)刻，諾獎(jiǎng)委員會宣布：2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予三位美國物理學(xué)家雷納?韋斯(Rainer Weiss)、基普?索里(Kip Stephen Thorne)和巴里?巴里什(Barry Clark Barish)，表彰他們對于研制激光干涉引力波天文臺以及利用該天文臺發(fā)現(xiàn)了引力波作出了決定性的貢獻(xiàn)。這樣的結(jié)果毫無懸念，和物理學(xué)界大部分學(xué)者的預(yù)言完全一樣。那么，這個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)到底是什么？和現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展有什么關(guān)系？愛因斯坦和這個(gè)發(fā)現(xiàn)是什么關(guān)系？引力波有什么用？有辦法防引力波輻射嗎？引力波探測與研究的未來是什么？中國在引力波探測領(lǐng)域的現(xiàn)狀和未來計(jì)劃是什么？筆者將在這篇文章里回答上面這些問題。

引力波；激光干涉；黑洞；廣義相對論

1 百年現(xiàn)代物理學(xué)用這個(gè)傳奇做了一個(gè)了斷

1.1 現(xiàn)代物理學(xué)建立的標(biāo)志

現(xiàn)代物理學(xué)建立的標(biāo)志當(dāng)然是一百多年前建立了相對論和量子力學(xué)。從牛頓開始到19世紀(jì)末，經(jīng)典物理學(xué)已經(jīng)形成了完整的理論體系，經(jīng)典物理學(xué)的大廈已經(jīng)非常宏偉，驅(qū)動著工業(yè)革命的蓬勃發(fā)展。但是，有兩朵似乎微不足道但是又驅(qū)之不散的烏云(圖1)，時(shí)不時(shí)飄在經(jīng)典物理學(xué)的大廈上空，這就是以太問題和黑體輻射的紫外災(zāi)難問題。

20世紀(jì)初，愛因斯坦的狹義相對論圓滿地解決了以太問題，而普朗克的黑體輻射量子理論又圓滿地解決了黑體輻射的紫外災(zāi)難問題，于是開啟了現(xiàn)代物理發(fā)展的一個(gè)新時(shí)代。從狹義相對論到廣義相對論，從早期的量子力學(xué)到成熟的量子電動力學(xué)、量子場論、粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，從太陽系到星系再到整個(gè)宇宙的形成和演化，現(xiàn)代物理的理論體系已經(jīng)完整地建立起來了，能夠很好地描述和預(yù)測小到夸克的微觀尺度，大到整個(gè)宇宙的宏觀尺度的各種現(xiàn)象和行為。當(dāng)然，我們的看似完整和完美的現(xiàn)代物理學(xué)，唯獨(dú)無法解釋暗物質(zhì)和暗能量，這被稱為21世紀(jì)現(xiàn)代物理學(xué)大廈上空的兩朵新烏云。

圖1 經(jīng)典物理學(xué)大廈上空的兩朵烏云

1.2 諾獎(jiǎng)委員會對量子力學(xué)情有獨(dú)鐘

相對論理論的建立盡管也有多位物理學(xué)家的貢獻(xiàn)，但是愛因斯坦的貢獻(xiàn)不僅傲立群雄，而且即使說是愛因斯坦以一己之力建立的，也不會有太大的問題，尤其是廣義相對論的建立更是人類理性思維和科學(xué)發(fā)展的一個(gè)高峰！

量子力學(xué)的建立則完全是一批物理學(xué)家的集體貢獻(xiàn)，愛因斯坦也對量子力學(xué)的建立作出了重要的貢獻(xiàn)，比如他于1922年被授予的1921年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的頒獎(jiǎng)詞為：“對理論物理的服務(wù)，特別是發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)的規(guī)律”。 “光電效應(yīng)”是光的量子性的直接證據(jù)，而且是對原子的量子力學(xué)模型的直接驗(yàn)證。

事實(shí)上，隨著量子力學(xué)以及基于量子力學(xué)的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的發(fā)展，相關(guān)研究從1918年普朗克獲獎(jiǎng)開始至今已經(jīng)獲得了大約30個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，而且其中還有幾年沒有授獎(jiǎng)。諾貝爾獎(jiǎng)評選委員會對量子力學(xué)的情有獨(dú)鐘可見一斑！從另外一個(gè)方面說，這些諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)標(biāo)志著量子力學(xué)走向了成熟，雖然今后還會進(jìn)一步發(fā)展，但是其正確性已經(jīng)毋庸置疑。

1.3 相對論在諾獎(jiǎng)歷史上的尷尬

愛因斯坦發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)雖然和多數(shù)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的成果相比毫不遜色，但是很顯然在愛因斯坦的眾多偉大貢獻(xiàn)中，卻是較小的一個(gè)，尤其是和相對論相比簡直可以忽略不計(jì)。但是愛因斯坦因光電效應(yīng)獲獎(jiǎng)，他本人在未來獲第二次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的可能性就會變得微乎其微。相對論在諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)歷史上的尷尬就開始了。

很顯然，愛因斯坦建立的廣義相對論，一百年來雖然已經(jīng)成為現(xiàn)代物理學(xué)的主要部分，而狹義相對論更是和量子力學(xué)一起構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的兩個(gè)支柱，但是，不但愛因斯坦沒有因?yàn)橄鄬φ摱@得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，后來對廣義相對論作出貢獻(xiàn)的眾多物理學(xué)家們，也無人因此獲得過諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這不能不說是物理學(xué)史和諾貝爾獎(jiǎng)歷史上的一個(gè)遺憾。

那么，相對論就永遠(yuǎn)不會獲得諾獎(jiǎng)了嗎？并不是！

1.4 3.0個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

盡管相對論在諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)歷史上的尷尬在繼續(xù)，歷史上還是有3.0個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)不但和愛因斯坦以及相對論有密切的關(guān)系，而且可以看作是本次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的前奏。

(1)0.5個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 1983年和Fowler分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的Chandrasekhar(錢德勒塞卡)。他獲獎(jiǎng)的頒獎(jiǎng)詞是“對恒星的結(jié)構(gòu)和演化中的物理過程的重要性的理論研究”，而錢德勒塞卡在這方面最為重要的研究是，發(fā)現(xiàn)了以前認(rèn)為的恒星演化的最終產(chǎn)物白矮星必然有質(zhì)量上限，這就奠定了理解中子星和黑洞形成的理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)60至70年代發(fā)現(xiàn)的中子星和黑洞都驗(yàn)證了錢德勒塞卡理論的正確性，錢德勒塞卡獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)可以說是眾望所歸。由于錢德勒塞卡的恒星演化理論的背后就是相對論和量子力學(xué)，這個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)也可以說是獎(jiǎng)勵(lì)給了把相對論和量子力學(xué)同時(shí)應(yīng)用到天體物理的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)。

(2)0.5個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 1974年和Ryle分享諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的Hewish。他獲獎(jiǎng)的頒獎(jiǎng)詞是“對發(fā)現(xiàn)脈沖星的決定性角色”(但是，實(shí)際上發(fā)現(xiàn)脈沖星的是他的學(xué)生Bell女士，她并沒有分享此獎(jiǎng)，而這也被認(rèn)為是諾貝爾獎(jiǎng)歷史上的重大冤案之一)。很顯然，發(fā)現(xiàn)脈沖星證實(shí)了錢德勒塞卡以及后來很多物理學(xué)家應(yīng)用相對論和量子力學(xué)研究天體演化的理論工作的正確性。

(3)1.0 個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 1993年Hulse和Taylor分享的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)詞為“對于發(fā)現(xiàn)了一種新類型的脈沖星，這個(gè)發(fā)現(xiàn)打開了研究引力的可能性”。他們發(fā)現(xiàn)的是一個(gè)雙中子星-脈沖星系統(tǒng)，在其后的幾十年中，利用這個(gè)以及后來陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的雙中子星-脈沖星系統(tǒng)，對廣義相對論進(jìn)行了各種精確的檢驗(yàn)，至今沒有發(fā)現(xiàn)對廣義相對論的偏離。尤其是，雙中子星軌道的衰減，和廣義相對論預(yù)言的通過引力波輻射的軌道衰減精確一致，也因此人們經(jīng)常用Hulse和Taylor的這個(gè)觀測和研究結(jié)果，作為對廣義相對論的引力波預(yù)言的觀測驗(yàn)證。但是，確切地說，這只能算是間接驗(yàn)證，因?yàn)椴]有觀測到這個(gè)以及其他雙中子星-脈沖星系統(tǒng)輻射的引力波，況且他們獲得諾獎(jiǎng)的直接原因是他們發(fā)現(xiàn)了這種天體系統(tǒng)，而不是對引力波的檢驗(yàn)。

(4)1.0個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 2011年P(guān)ermutter、Schmidt和Riess獲得的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的頒獎(jiǎng)詞為“對于通過觀測遙遠(yuǎn)的超新星爆發(fā)發(fā)現(xiàn)了宇宙的加速膨脹”。這個(gè)獎(jiǎng)不但和愛因斯坦本人有關(guān)系，而且對這個(gè)發(fā)現(xiàn)的“主流”解釋也是以廣義相對論為基礎(chǔ)的。愛因斯坦在哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹之前，曾經(jīng)在他的廣義相對論場方程里面，引入了所謂的“宇宙學(xué)常數(shù)”，用來產(chǎn)生一個(gè)長程排斥力來抵抗引力，保持宇宙處于一個(gè)靜態(tài)的狀態(tài)。但是在哈勃發(fā)現(xiàn)了宇宙膨脹之后，愛因斯坦認(rèn)為他引入的“宇宙學(xué)常數(shù)”是犯了他“一生最大的錯(cuò)誤”，否則，他就可以預(yù)言宇宙的膨脹。如果在廣義相對論的框架下解釋早期宇宙減速膨脹，但是為了解釋近期宇宙加速膨脹這個(gè)觀測結(jié)果，還是需要在廣義相對論場方程里面引入“宇宙學(xué)常數(shù)”，而目前對于“宇宙學(xué)常數(shù)”的物理解釋就是宇宙中充滿了未知的暗能量！

回顧前面這3.0個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，我們就會發(fā)現(xiàn)：盡管廣義相對論已經(jīng)是理解這些重大發(fā)現(xiàn)的理論基礎(chǔ)，早就被學(xué)術(shù)界認(rèn)為是現(xiàn)代物理基礎(chǔ)理論的重要部分，而且，“引力波”也是1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的那個(gè)觀測結(jié)果的最合理的解釋。但是，無論廣義相對論還是引力波都還沒有被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，和量子力學(xué)以及相關(guān)的物理學(xué)研究的情況獲得了大約30個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)相比有天淵之別，實(shí)在是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)歷史和現(xiàn)代物理學(xué)歷史上的一大冤案！

2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了LIGO實(shí)驗(yàn)直接探測到并且發(fā)現(xiàn)了廣義相對論的最主要預(yù)言——引力波，不但是眾望所歸，而且也是對百年現(xiàn)代物理學(xué)做了一個(gè)了斷！從今往后，擴(kuò)展廣義相對論理論并且發(fā)展和量子力學(xué)統(tǒng)一的量子引力理論的研究，以及利用引力波探索宇宙和發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)規(guī)律將進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代！

2 愛因斯坦說，引力波就是時(shí)空彎曲的直接后果

首先我們可以做一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)來理解引力的本質(zhì)就是時(shí)空彎曲的結(jié)果。一個(gè)彈性很好的蹦床本來是完全平的，在上面放了一個(gè)重球，這個(gè)面就不再是平面了，中間凹下去了(圖 2)。然后再放一個(gè)球，這個(gè)球就往原來那個(gè)重球那邊落過去。并不是這兩個(gè)球“相愛”了，而是空間彎曲了，后面那個(gè)球必須沿著彎曲的面走，所以這兩個(gè)球只有撞在一起的命運(yùn)。如果我們給這個(gè)球一個(gè)合適的切線方向的初始速度，這個(gè)球就會繞著中心的重球繞圈，類似地球繞著太陽運(yùn)動，這也是由于空間彎曲的結(jié)果。所以，所謂的“引力”就是空間彎曲的直接結(jié)果，這兩個(gè)球撞到一起或者繞著轉(zhuǎn)圈并不是真的由于這兩個(gè)球之間有一個(gè)繩子或者一個(gè)吸引力。

圖2 理解引力的本質(zhì)就是時(shí)空彎曲結(jié)果的演示實(shí)驗(yàn)

如果這兩個(gè)球都很重，讓兩個(gè)球相互繞轉(zhuǎn)，由于每一個(gè)球都使得它周圍的空間彎曲了，這樣當(dāng)它們兩個(gè)球相互繞轉(zhuǎn)的時(shí)候，就會使得彎曲的時(shí)空向外傳遞，向外傳遞的這個(gè)東西就是引力波。所以我們知道，引力波也是時(shí)空彎曲的直接結(jié)果，在平直時(shí)空里面是不可能有引力波的，只要有彎曲的空間就必然會產(chǎn)生引力波(圖3)。愛因斯坦意識到這個(gè)圖像之后，就把他利用黎曼幾何寫出來的引力場方程進(jìn)行了簡化，也就是做了弱引力情況下的線性化，得到了引力波方程，數(shù)學(xué)形式上類似麥克斯韋電磁場理論的電磁波方程，而且引力波傳遞的速度就是光速，愛因斯坦就于1916年預(yù)言了引力波的存在。

3 引力波和電磁波、聲波有什么不同？

電磁波是電磁場震蕩的傳播，比如一個(gè)加速運(yùn)動的電荷就會產(chǎn)生電磁波。電磁波也是我們最熟悉的兩種波動之一，光就是電磁波。電磁波的傳播不需要介質(zhì)，也就是在真空中就可以傳播，這就是我們能夠看到宇宙遠(yuǎn)處的天體的原因。當(dāng)然，電磁波也可以在介質(zhì)中傳播，在不同的介質(zhì)中不同頻率或者波長的光的傳播速度不一樣，這就是所謂的色散效應(yīng)。我們能夠看到美麗的彩虹就是這個(gè)原因。

圖3 引力波產(chǎn)生的示意圖

另外一種我們最熟悉的波動就是聲音，聲音就是物質(zhì)振動的傳播，所以是機(jī)械波。機(jī)械波的傳播需要介質(zhì)，在不同的介質(zhì)中聲音傳播的速度也是不一樣的。但是在真空中聲音不能傳播，這就是為什么太空中出艙的宇航員只能面對面對視，用眼光交流，要想說話就必須通過無線電。

激光干涉引力波天文臺所發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)黑洞繞轉(zhuǎn)，通過引力波輻射損失能量，最后并合在一起變成一個(gè)黑洞(圖4)。引力波則是完全不同的一種波。引力波的傳播不需要介質(zhì)傳遞，換句話說，引力波就是空間的漣漪，也因此宇宙中所有的物質(zhì)和能量都能夠感受到引力波。

4 引力波探測的歷史

4.1 幾十年的爭論，費(fèi)曼一錘定音

如果要探測引力波所產(chǎn)生的空間扭曲振動，引力波必須能夠攜帶能量，但是這個(gè)問題在學(xué)術(shù)界爭論了幾十年。直到20世紀(jì)50年代，一些相對論理論物理學(xué)家，特別是邦迪嚴(yán)格證明了引力輻射攜帶能量，因此原則上這是一個(gè)可觀測的物理現(xiàn)象。因?yàn)橐Σ〝y帶能量，所以一個(gè)輻射引力波的系統(tǒng)會損失能量。1957 年費(fèi)曼和邦迪提出把兩個(gè)黏性小球套在一根剛性桿上(圖5)，當(dāng)引力波傳來的時(shí)候，剛性桿因?yàn)樵恿Φ淖饔瞄L度不發(fā)生變化，但兩個(gè)小球的間距將會持續(xù)震蕩變化，這樣會與剛性桿發(fā)生摩擦，產(chǎn)生熱量，這熱量的來源就是引力波。這個(gè)假想實(shí)驗(yàn)就說明了引力波不但攜帶能量，而且可以把攜帶的能量傳遞給引力波經(jīng)過的介質(zhì)！

圖4 兩個(gè)互相繞轉(zhuǎn)黑洞的模擬示意圖

圖5 費(fèi)曼和邦迪的實(shí)驗(yàn)原理圖

可能您會問，既然那兩個(gè)小球和剛性桿沒有摩擦力而且是處于真空中，小球還是會震蕩，那么引力波還會傳遞能量給小球嗎？答案是不傳遞。其原因如下：小球之間的相對距離顯然變化了，所以相對運(yùn)動了，但是它們只是隨著扭動的空間在運(yùn)動，實(shí)際上動的是空間。也就是說兩個(gè)小球相對于它們所處的空間并沒有動，引力波過后空間又恢復(fù)平靜，它們也立刻靜止，所以并沒有任何能量傳遞給小球。這就是為什么宇宙深處產(chǎn)生的引力波，盡管在傳播到地球的時(shí)候已經(jīng)使得途經(jīng)的天體都扭動了，但是引力波的能量還是幾乎沒有任何損失！不過如果我們想測量小球的相對運(yùn)動，就必須和小球發(fā)生作用，這樣小球就不可能隨著空間的扭動自由振蕩了。這個(gè)小球本來在慣性坐標(biāo)系里面做的慣性運(yùn)動就受到了阻尼，它的能量就損失了，損失的能量傳遞給了產(chǎn)生阻尼的物體，這樣就等效于引力波傳遞能量給小球了！

這種情況類似于在一個(gè)完全沒有阻力的情況下依靠慣性運(yùn)動的物體，這個(gè)時(shí)候你無法確定這個(gè)物體到底攜帶了多少動能，因?yàn)橄鄬τ诓煌鴺?biāo)系，也就是相對于這個(gè)物體做勻速直線運(yùn)動的不同的觀測者，這個(gè)物體的速度是不一樣的，因此問這個(gè)物體是否攜帶了動能就毫無意義。但是，一旦給這個(gè)物體施加一個(gè)阻力，它減速運(yùn)動的加速度對于所有的這些觀測者就都是一樣的，大家計(jì)算出來的這個(gè)物體的能量損失，也就是通過阻力耗散的能量就是一樣的，而這個(gè)物體也的確是損失了能量。

4.2 開創(chuàng)了引力波探測領(lǐng)域，自己卻聲名狼藉

如果廣義相對論是正確的，那么引力波就的確是存在的，引力波攜帶能量而且還會把能量傳遞給探測器，使得引力波能夠被探測到，那就探測吧！

終于，從引力波理論提出開始，過了50年才有人開始建造試圖探測引力波的設(shè)備。第一個(gè)嘗試這么做的人是馬里蘭大學(xué)的韋伯教授，是名副其實(shí)的引力波探測的開創(chuàng)者。他把自己的設(shè)備命名為“諧振條天線”，今天學(xué)術(shù)界通常稱為“韋伯棒”。韋伯認(rèn)為鋁制的圓柱體可以被當(dāng)作鈴鐺，放大微弱的引力波。當(dāng)特定頻率的引力波到達(dá)圓柱體的時(shí)候，圓柱體會產(chǎn)生輕微的諧振，其周圍的傳感器會把這種振動轉(zhuǎn)化為電信號。為了確保他測量到的不是周圍經(jīng)過的卡車或者輕微地震的振動，他采取了一系列的保護(hù)措施：比如將韋伯棒懸置在真空中，使用了兩個(gè)韋伯棒，分別位于馬里蘭大學(xué)的校園和在芝加哥附近的Argonne國家實(shí)驗(yàn)室。如果兩個(gè)韋伯棒在微小時(shí)間間隔中產(chǎn)生了同樣的振動，他認(rèn)為這就可能是引力波造成的。

1969年6月，韋伯宣布了他的諧振條記錄了引力波事件。物理學(xué)家和媒體都很激動，《紐約時(shí)報(bào)》這樣報(bào)道：“人類對宇宙的觀測又一新篇章被翻開了?！焙芸?，韋伯開始報(bào)道每日都記錄到了引力波的信號。 不過，其他的實(shí)驗(yàn)室都沒有得到與他類似的結(jié)果，而且很多新建的精度和靈敏度都比他的韋伯棒好很多的引力波探測器都沒有探測到信號，學(xué)術(shù)界對他的懷疑迅速擴(kuò)散，和他產(chǎn)生了多次極為激烈的爭論。韋伯本人學(xué)術(shù)態(tài)度的不嚴(yán)謹(jǐn)，更是使得他的學(xué)術(shù)聲譽(yù)斷崖式下滑，比如，他不斷修改對已有數(shù)據(jù)分析的結(jié)論，以迎合新的研究成果或者應(yīng)對學(xué)術(shù)界的質(zhì)疑。幾年之后，學(xué)術(shù)界大部分人都認(rèn)為韋伯的實(shí)驗(yàn)或者數(shù)據(jù)分析有嚴(yán)重問題，世界上跟風(fēng)建的類似實(shí)驗(yàn)也逐漸都關(guān)門了，也包括1972 年中國科學(xué)院在北京中關(guān)村和廣州中山大學(xué)建立的韋伯棒。韋伯自己也只能在一個(gè)破舊的實(shí)驗(yàn)室孤獨(dú)地繼續(xù)做實(shí)驗(yàn)，雖然持續(xù)宣稱有新的探測結(jié)果，但是已經(jīng)引不起學(xué)術(shù)界的任何注意了，韋伯在學(xué)術(shù)界可以說是聲名狼藉。令人唏噓不已的是，韋伯2000年去世的主因，竟然是冬天在他的破舊失修的實(shí)驗(yàn)室門口滑倒，連續(xù)兩天沒有獲救，身體健康從此每況愈下，最終去世。

4.3 另辟蹊徑，但是難于上青天

分享了2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)一半獎(jiǎng)金的美國麻省理工學(xué)院的Rainer Weiss(雷納?韋斯)教授也對引力波的探測很感興趣。但是韋斯覺得他自己不太懂廣義相對論，于是決定教廣義相對論的課，這樣就逼著自己至少提前一天比他的學(xué)生們理解他要教的內(nèi)容。他在教課中無法解釋韋伯的結(jié)果，于是開始思考和設(shè)計(jì)后來的激光干涉引力波天文臺，也就是LIGO的原型機(jī)，打算做原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)(圖6)。他后來回憶道：“我不能理解韋伯想干什么，我不認(rèn)為韋伯的那個(gè)想法是正確的，于是我自己開始去找答案。”順便說一句，教授們想學(xué)一門課的一個(gè)辦法不是去聽一門課而是去教一門課，這尤其是物理學(xué)家們特別喜歡做的事情，很多牛人都干過這樣的事情。筆者雖然不是牛人，但是也常常這么干，筆者的物理和天體物理的很多知識都是在準(zhǔn)備教課的過程中掌握的。

圖6 用激光干涉探測引力波的原理圖

韋斯在教廣義相對論課的過程中掌握了廣義相對論，并且產(chǎn)生了完全不同于韋伯的探測方法的新設(shè)想，于是打算另辟蹊徑探測引力波。但是怎么拿到研究經(jīng)費(fèi)呢？他在從系里的管理者那里爭取資助時(shí)遇到了嚴(yán)重困難，因?yàn)樵S多他的同事對這個(gè)設(shè)想持有嚴(yán)重懷疑。其中一個(gè)懷疑者是著名的天體物理學(xué)家和相對論專家，堅(jiān)定地認(rèn)為黑洞不存在——這一看法當(dāng)時(shí)很多同時(shí)代的人都持有，因?yàn)楫?dāng)時(shí)支持黑洞的數(shù)據(jù)太少了，況且愛因斯坦本人都不相信黑洞存在。既然黑洞是理論上僅有的少數(shù)可以產(chǎn)生可觀測到的引力波的源頭，他們認(rèn)為韋斯的研究純屬胡鬧，所以堅(jiān)決反對給他經(jīng)費(fèi)用來研究探測引力波。

在走投無路之下，韋斯想到了一個(gè)辦法，就是忽悠軍方支持他的研究。美國軍方對于支持基礎(chǔ)科學(xué)研究向來很重視，因?yàn)檫@些研究往往能夠產(chǎn)生顛覆性的技術(shù)，而這些技術(shù)應(yīng)用到軍事方面常常威力無比。他最終說服軍方給了他一些經(jīng)費(fèi)研發(fā)探測引力波的技術(shù)。同時(shí)，他也積極和加州理工學(xué)院的索恩教授交流，索恩教授是國際知名引力物理專家，學(xué)術(shù)地位比韋斯高得多，所以索恩說服了加州理工學(xué)院也支持沿著這個(gè)新方向開展引力波探測的研究。同時(shí)，基于類似的想法，德國、英國和蘇聯(lián)的科學(xué)家，也開始了用這種原理開展引力波探測的研究。

雖然韋斯做他的引力波探測的原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)很投入也很享受，但是多年沒有任何拿得出手的成果畢竟是很尷尬的，而且軍方也逐漸失去了耐心。由于看不到韋斯取得突破的前景，就不再給他經(jīng)費(fèi)了。他讀博士時(shí)候的導(dǎo)師實(shí)在是看不下去了，就勸他先把引力波探測的事情放一放，去做點(diǎn)有用的事情讓自己在學(xué)術(shù)界站住腳。無奈之下，韋斯就改行做宇宙微波背景輻射的空間探測研究，領(lǐng)導(dǎo)了后來獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的COBE衛(wèi)星的一個(gè)重要儀器團(tuán)隊(duì)，作出了關(guān)鍵的貢獻(xiàn)。

4.4 終于起步，但是幾乎崩盤

LIGO終于啟動了，那么前面會是一片坦途嗎？并不是！由于LIGO是韋斯、索恩和得雷夫聯(lián)合建議，他們都在項(xiàng)目的前期研究和啟動的過程中發(fā)揮了不可替代的作用，而且他們?nèi)欢际钱?dāng)時(shí)這個(gè)領(lǐng)域的頂尖科學(xué)家，這個(gè)項(xiàng)目啟動之后就由他們?nèi)寺?lián)合管理，史稱LIGO三巨頭。但是他們之間的合作非常糟糕，韋斯和得雷夫都是杰出的實(shí)驗(yàn)專家，各自有不同的想法，互相攻擊，完全無法合作；索恩是理論家，想盡辦法在他們兩個(gè)之間斡旋，但是仍然無濟(jì)于事。于是項(xiàng)目的進(jìn)展一塌糊涂，看不到完成的希望，基金會終于忍無可忍，命令徹底改變項(xiàng)目的管理。于是加州理工學(xué)院指派了一個(gè)重量級官員取代他們?nèi)华?dú)自管理這個(gè)項(xiàng)目，但是他和得雷夫矛盾更大，最終還是把得雷夫開除了！得雷夫當(dāng)然不服，到處告狀，整個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)面臨分崩離析，LIGO實(shí)驗(yàn)幾乎崩盤！最終加州理工學(xué)院任命了粒子物理學(xué)家Barry Barish(巴里?巴里什)擔(dān)任這個(gè)項(xiàng)目的首席科學(xué)家，就是今年和韋斯、索恩一起分享諾獎(jiǎng)的第三人。做這種大型的科學(xué)項(xiàng)目對于粒子物理學(xué)家來說并不陌生，巴里什不負(fù)眾望，不但重整了LIGO項(xiàng)目的管理，而且建立了LIGO的科學(xué)合作團(tuán)隊(duì)，重新向基金會提交了LIGO建設(shè)方案。雖然經(jīng)費(fèi)需求大幅度提高，基金會仍然全盤接受，LIGO項(xiàng)目終于步入正軌，并于1994年正式開始建造(圖 7)。

圖7 激光干涉引力波天文臺照片，每個(gè)真空管道長4 km

4.5 引力波再次烏龍，只因誘惑太大？

引力波的探測并不是只有LIGO這類實(shí)驗(yàn)?zāi)茏觥，F(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)宇宙產(chǎn)生和演化模型告訴我們，在宇宙大爆炸的前期有一段暴脹時(shí)期，這個(gè)時(shí)期宇宙的尺度隨時(shí)間指數(shù)增加，在這個(gè)過程中的量子漲落也必然會產(chǎn)生引力波，稱為原初引力波。原初引力波能夠在宇宙微波背景輻射的信號中留下痕跡，比如偏振的特征信號。測量宇宙微波背景輻射的偏振信號，就有可能觀測到宇宙原初引力波，這對于理解宇宙的產(chǎn)生和演化具有不可替代的作用，很顯然是諾獎(jiǎng)級的成果。國際上有幾個(gè)實(shí)驗(yàn)都在試圖做這個(gè)探測，競爭異常激烈。

2014年一個(gè)爆炸性的科學(xué)新聞傳播全球，其影響力類似于去年LIGO團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)引力波的新聞。在新聞發(fā)布會上，美國放置在南極附近的BICEP望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)宣布，他們根據(jù)測量到的宇宙微波背景輻射的偏振信號，發(fā)現(xiàn)了大爆炸遺留的引力波。于是，學(xué)術(shù)界開始談?wù)摰降渍l會因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)！但是，好景不長!歐洲的一個(gè)專門測量宇宙微波背景輻射的Planck衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)，南極那個(gè)實(shí)驗(yàn)所觀測的那一片天空，存在以前未知的干擾信號，之前實(shí)驗(yàn)看到的實(shí)際上是干擾信號產(chǎn)生的偏振信號，根本就不是宇宙微波背景輻射的偏振信號。這個(gè)諾獎(jiǎng)級的科學(xué)成果原來是一個(gè)烏龍。事實(shí)上，如果那個(gè)團(tuán)隊(duì)更謹(jǐn)慎一些，在新聞發(fā)布之前仔細(xì)檢查各種可能性，是可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)錯(cuò)誤的，但是他們沒有這么干，而是匆匆忙忙宣布了所謂的重大發(fā)現(xiàn)，也許是因?yàn)橹Z獎(jiǎng)的誘惑實(shí)在是太大了。

實(shí)際上，LIGO團(tuán)隊(duì)自己也擺過一次烏龍。他們?yōu)榱藴y試搜尋引力波的程序和算法，會由一個(gè)小組在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)里面加入人造的信號模仿引力波信號。有一次在注入了人造信號之后，沒有通知項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的其他人，其他人在找到這個(gè)信號之后，以為自己發(fā)現(xiàn)了引力波，并且已經(jīng)在學(xué)術(shù)界內(nèi)部發(fā)布了探測到了引力波疑似信號的預(yù)警，全球很多地面和空間望遠(yuǎn)鏡都對疑似產(chǎn)生引力波的那個(gè)天區(qū)進(jìn)行了快速和密集的搜尋，試圖探測產(chǎn)生引力波的天體的電磁波信號，結(jié)果當(dāng)然都是一無所獲。LIGO項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)花了6個(gè)月時(shí)間仔細(xì)分析了數(shù)據(jù)，確認(rèn)是探測到了引力波，并寫好了論文準(zhǔn)備投出去。直到這個(gè)時(shí)候，他們才發(fā)現(xiàn)這個(gè)引力波信號其實(shí)是那個(gè)小組注入的，他們只能自嘲這是一次“火警”演習(xí)。

加上韋伯的引力波探測烏龍，在引力波真被探測到之前，曾經(jīng)擺過三次烏龍，以至于當(dāng)LIGO終于探測到了引力波信號之后，很多人都在懷疑：是不是還是烏龍？甚至在獲得諾獎(jiǎng)之后，仍然有人在懷疑。當(dāng)然，現(xiàn)在有極為確鑿的證據(jù)表明，LIGO這次是真的探測到了引力波！

4.6 熬到了成功，卻沒有得到終極榮耀

韋伯開創(chuàng)了引力波探測領(lǐng)域，最后卻聲名狼藉，毫無疑問是引力波探測歷史上的一個(gè)悲劇人物。如果LIGO稍微提前幾個(gè)月探測到引力波，甚至如果LIGO項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)分析2015年9月14日探測到的那個(gè)引力波事件稍微快一點(diǎn)，那么韋伯很可能就是引力波探測歷史上最令人唏噓不已的人物。

發(fā)起LIGO項(xiàng)目的是韋斯、索恩和得雷夫三巨頭，無論是科學(xué)界還是LIGO項(xiàng)目內(nèi)部都一致認(rèn)為，如果LIGO探測到引力波獲得了諾獎(jiǎng)，得獎(jiǎng)人必然是這三巨頭。事實(shí)上，在LIGO的結(jié)果公布之后，這個(gè)成果斬獲了所有的科學(xué)大獎(jiǎng)，直到2017年10月3日最終獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)這個(gè)終極科學(xué)榮耀，但是獲獎(jiǎng)人里面沒有得雷夫！

前面講過，得雷夫被當(dāng)時(shí)的LIGO項(xiàng)目的新負(fù)責(zé)人開除出了LIGO項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，并且規(guī)定他不準(zhǔn)再踏入LIGO實(shí)驗(yàn)一步。盡管后來加州理工學(xué)院認(rèn)為，對得雷夫的這個(gè)處理過于嚴(yán)厲而且不公，但是并沒有恢復(fù)得雷夫的LIGO項(xiàng)目成員身份，只是想給得雷夫一筆不菲的研究經(jīng)費(fèi)讓他愛干啥干啥。但是得雷夫拒絕了，因?yàn)長IGO是他一生的心血，除了LIGO他什么都不想做。在LIGO成功地探測到引力波的時(shí)候，得雷夫已經(jīng)是重度老年癡呆癥患者，索恩去醫(yī)院看望他，得雷夫非常高興地和索恩一起回憶了他們當(dāng)年一起開創(chuàng)LIGO的愉快時(shí)光。隨后LIGO項(xiàng)目獲得的所有科學(xué)大獎(jiǎng)的名單上都有得雷夫，盡管得雷夫已經(jīng)不能親自出席領(lǐng)獎(jiǎng)。很顯然，得雷夫很快就將獲得科學(xué)的終極榮耀——諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)！不幸的是，得雷夫于2017年3月因病去世，最終還是沒有等到這個(gè)終極榮耀。

在一片痛惜中，很多人都覺得，如果引力波的發(fā)現(xiàn)獲得了2016年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，就不會有這樣的遺憾了。但是，諾獎(jiǎng)提名的時(shí)間是當(dāng)年的1月31號，而LIGO團(tuán)隊(duì)是在2016年2月11號才宣布發(fā)現(xiàn)了引力波。從程序上來講，他們不可能獲得提名，自然就不可能獲獎(jiǎng)。歷史無法重演，就差了這么幾天，得雷夫就成了引力波探測歷史上最悲情的人物了。但是，科學(xué)界和歷史都不會忘記得雷夫?qū)τ谝Σㄌ綔y的杰出貢獻(xiàn)。

5 這僅僅是開始，未來會更加精彩

5.1 引力波有什么用？要防引力波輻射嗎？

我作關(guān)于引力波的科普報(bào)告或者公眾演講的時(shí)候，或者被記者采訪有關(guān)引力波的事情的時(shí)候，每一次，絕對是每一次，我都會被問到這個(gè)問題：引力波有什么用？取決于當(dāng)時(shí)的心情或提問者，我會在下面這幾個(gè)答案中選一個(gè)回答：

(1)什么用都沒有，但是在研究如何探測引力波的過程中，科學(xué)家研制出來的技術(shù)非常有用。探測引力波需要世界上最精密的測量技術(shù)，技術(shù)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越目前工業(yè)的水平，因此這些技術(shù)對人類非常有用。實(shí)際上，LIGO團(tuán)隊(duì)研發(fā)的一些貼近目前工業(yè)水平的技術(shù)已經(jīng)得到了應(yīng)用，而更多遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前工業(yè)水平的技術(shù)，未來肯定會得到應(yīng)用。

(2)藝術(shù)有什么用？但是人類在藝術(shù)上花得錢遠(yuǎn)遠(yuǎn)比在科學(xué)上花得錢多。有一次一個(gè)女生回應(yīng)說，藝術(shù)讓我感到幸福??！我說，引力波讓科學(xué)家感到幸福，科學(xué)家幸福了，人類就幸福了。

(3)就像100年前物理學(xué)家們研究相對論和量子力學(xué)的時(shí)候，沒有人知道這些理論對我們有什么用一樣，今天我們也不知道研究引力波有什么用。但是相對論和量子力學(xué)建立之后100年，現(xiàn)代科技和日常生活都已經(jīng)離不開根據(jù)相對論和量子力學(xué)的原理所發(fā)展出的日新月異的技術(shù)了，從半導(dǎo)體到超級計(jì)算機(jī)，從核能到GPS導(dǎo)航，從醫(yī)學(xué)診斷設(shè)備到量子通信，無不是如此。100年后，誰知道引力波的研究會帶給我們什么呢？科學(xué)研究的重要性，就在于會帶給人類完全預(yù)想不到的驚喜，其回報(bào)總是無數(shù)倍于投資！

另外一件令人哭笑不得的事情是，在引力波刷屏之后，網(wǎng)上出現(xiàn)了眾多的引力波產(chǎn)品，大部分都是防引力波輻射的產(chǎn)品，因?yàn)榇蠹抑灰吹健拜椛洹边@兩個(gè)字就會嚇尿。既然引力波已經(jīng)到達(dá)地球了，當(dāng)然要想辦法防引力波輻射，而專門為孕婦做的防引力波輻射服似乎最暢銷！信不信由你，還真有朋友咨詢我哪一家的孕婦防引力波輻射服效果最好！我的回答是，如果孕婦能夠感受到引力波的傷害，也就不需要上千個(gè)科學(xué)家花幾十年的時(shí)間而且花了美國科學(xué)基金會歷史上最大的一筆經(jīng)費(fèi)做引力波的探測了，只需要讓孕婦告訴我們被引力波擊中是什么感覺就行了！

引力波當(dāng)然無法屏蔽，也無法防，因?yàn)橐Σ軌虼┩赣钪?、穿透地球。?dāng)然也不需要防，因?yàn)橐Σ▽ξ覀兊挠绊戇h(yuǎn)遠(yuǎn)比我們自己呼吸對自己的影響小，好的影響、壞的影響都算上！

5.2 引力波探測的未來和中國的計(jì)劃

地面探測引力波的裝置除了LIGO之外，在意大利和德國也有類似的裝置，而意大利的那個(gè)裝置也探測到了一次引力波。澳大利亞、印度和日本也都在計(jì)劃或者研制類似的引力波探測器。這些激光干涉儀一起構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)可以用來精確地定位引力波源。下一代激光干涉儀計(jì)劃，如愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡將建造在地下，由三個(gè)10 km長的臂構(gòu)成等邊三角形，每個(gè)角上放兩個(gè)探測器，可以用來探測引力波的偏振，獲得更多的信息。中國相關(guān)大學(xué)及研究所也在計(jì)劃建造地下激光干涉引力波探測器。

由于受到地球引力梯度的限制，在地面上不可能觀測頻率低于1 Hz的引力波。要探測更低頻率的引力波，則需要在空間進(jìn)行探測。計(jì)劃中的空間探測引力波計(jì)劃有歐空局的LISA——也就是激光干涉空間天線計(jì)劃，日本的分赫茲干涉引力波天文臺，中國科學(xué)院的太極計(jì)劃(圖8)，以及中山大學(xué)的天琴計(jì)劃等。

此外，通過觀測引力波對電磁波在空間傳播過程中的影響，也可以用來探測引力波。脈沖星測時(shí)陣便是通過測量引力波對毫秒脈沖星的電磁脈沖到達(dá)地球上望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間的影響來測量引力波的，這種方法可以測量到頻率更低的引力波。國際上的脈沖星測時(shí)陣有歐洲脈沖星測時(shí)陣、北美納赫茲引力波天文臺、Parkes 脈沖星測時(shí)陣等。中國科學(xué)院的110 m口徑全可動射電望遠(yuǎn)鏡和500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST，又稱“中國天眼”，圖9)，也可以通過脈沖星測時(shí)陣方法測量引力波。

圖8 中國科學(xué)院的太極計(jì)劃

如上面所說，宇宙極早期暴脹時(shí)期的量子漲落會產(chǎn)生原初引力波，前面說的那個(gè)烏龍就屬于這種探測。國際上目前有多個(gè)地面望遠(yuǎn)鏡在開展這種探測實(shí)驗(yàn)，也有空間實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。到目前為止，還沒有發(fā)現(xiàn)原初引力波。中國科學(xué)院高能物理研究所正在中國的西藏阿里天文臺建造類似的宇宙微波背景輻射望遠(yuǎn)鏡，稱為阿里計(jì)劃。

圖9 500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)

6 結(jié)束語：引力波將帶給我們新的科學(xué)和宇宙

很顯然，引力波探測正在成為一個(gè)非?；钴S和競爭激烈的領(lǐng)域，引力波將成為科學(xué)家進(jìn)一步探索宇宙和發(fā)展科學(xué)理論的有力工具。利用更加高精度的引力波觀測，科學(xué)家有望回答以下問題：黑洞到底是什么？是數(shù)學(xué)家和理論物理學(xué)家們預(yù)言的奇點(diǎn)“ 數(shù)學(xué)黑洞”，還是我和我的學(xué)生劉元所預(yù)言的中心沒有奇點(diǎn)的“天文黑洞”，還是為了保證量子信息守恒而推測的“火墻黑洞”，還是最近炒得很熱的“軟毛黑洞”？廣義相對論理論是最好的引力理論嗎？能否測量到“引力子”？能否提供檢驗(yàn)有些量子引力理論模型所需要的觀測數(shù)據(jù)？除了促進(jìn)黑洞和廣義相對論的研究，探測到黑洞和中子星、兩個(gè)中子星的并合，將能夠促進(jìn)對于中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的理解，也許能夠回答所謂的“ 中子星”內(nèi)部到底主要是由中子還是夸克組成的這個(gè)中子星研究的終極問題！

2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)對百年現(xiàn)代物理學(xué)做了一個(gè)了斷，同時(shí)開啟了科學(xué)史上一個(gè)激動人心的新時(shí)代！很幸運(yùn)，我們目睹了這個(gè)偉大的事件！

(2017年11月1日收稿)

The stories inside and behind gravitational wave: A brief introduction to the Nobel Prize in Physics 2017

ZHANG Shuangnan
Institute of High Energy Physics, Chinese Acadmy of Sciences, Beijing 100049, China

On October 3rd, 2017, it was announced that the Nobel Prize in Physics 2017 was divided, one half awarded to Rainer Weiss, the other half jointly to Barry C. Barish and Kip S. Thorne “for decisive contributions to the LIGO detector and the observation of gravitational waves”. In this article, I shall try to answer the following questions: What is this scientific discovery?What is its relationship with the development of modern physics? What is its relationship with Einstein? Is gravitational wave useful?Is there any way to shield gravitational waves? What is the future of the detection of and research on gravitational waves? What are the future programs of gravitational wave detection in China?

gravitational wave, laser interferometry, black hole, general relativity

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.06.002

?通信作者，E-mail: zhangsn@ihep.ac.cn

(編輯：溫文)