引力波獵手

摘 要 第一部分是作者于2017年9月21日對(duì)第二屆復(fù)旦-中植科學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)背景介紹，包括對(duì)三位獲獎(jiǎng)?wù)邔?duì)引力波探測(cè)突出貢獻(xiàn)的簡(jiǎn)要評(píng)述。正是這三位獲獎(jiǎng)?wù)?2天之后獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第二部分是作者在諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)宣布3天前對(duì)可能獲獎(jiǎng)人的評(píng)述。最后，將前兩部分與諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的官方新聞發(fā)布略作比較，并討論了引力波探測(cè)的后續(xù)成果。

關(guān)鍵詞 引力波 LIGO 時(shí)空復(fù)旦-中植科學(xué)獎(jiǎng) 諾貝爾獎(jiǎng)

一 三位引力波獵手，獲第二屆

“復(fù)旦-中植科學(xué)獎(jiǎng)”

13億年前，宇宙中有兩個(gè)黑洞相互碰撞，而且并合成一個(gè)大黑洞，發(fā)出引力波。

引力波以光速向四周傳播，經(jīng)過(guò)13億年在各個(gè)方向的長(zhǎng)途跋涉，于2015年9月14日穿過(guò)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(guò)200多萬(wàn)年，現(xiàn)代人類只有20多萬(wàn)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(tái)（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，縮寫為L(zhǎng)IGO）開始工作，13年后探測(cè)到代號(hào)為GW150914的引力波，事實(shí)上，在這個(gè)引力波到達(dá)的兩天前，升級(jí)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(cè)到引力波。

波是某種振動(dòng)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(shuō)，任何兩個(gè)有質(zhì)量的物體之間存在萬(wàn)有引力，而且這個(gè)引力是瞬時(shí)的，也就說(shuō)，物體之間引力的傳遞不需要時(shí)間。牛頓解釋了為什么地球圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)，為什么樹上的蘋果會(huì)落地。

然而愛因斯坦1905年創(chuàng)立的狹義相對(duì)論指出，任何信號(hào)的傳遞不可能超過(guò)光速，時(shí)間和空間成為整體，稱為時(shí)空。在相互勻速運(yùn)動(dòng)的不同觀察者看來(lái)，同一事件的時(shí)間坐標(biāo)和空間坐標(biāo)都不一樣，但是總的時(shí)空間隔保持不變。

十年之后，愛因斯坦又將引力納入相對(duì)論的框架，創(chuàng)立廣義相對(duì)論，指出萬(wàn)有引力就是時(shí)空的彎曲，由此決定物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。用索恩的導(dǎo)師、美國(guó)著名物理學(xué)家約翰·惠勒（John Wheeler）的話說(shuō)：“物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲；彎曲的時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)。”物質(zhì)之間的引力，需要時(shí)間來(lái)傳遞。

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

1916年，愛因斯坦根據(jù)廣義相對(duì)論，預(yù)言了引力波。

引力源質(zhì)量分布的改變，導(dǎo)致它對(duì)其他物體引力的改變，這種改變以光速傳播開來(lái)，就是引力波。既然引力是時(shí)空彎曲，那么引力波也就是“時(shí)空的漣漪”，即時(shí)空彎曲情況隨時(shí)間變化、在空間傳播（圖2）。引力波到達(dá)之處，在垂直于傳播方向的平面上，任何長(zhǎng)度都會(huì)振蕩，而且在互相垂直的任意兩個(gè)方向上步調(diào)相反。因?yàn)榕ｎD力學(xué)中沒有引力波，所以引力波的觀測(cè)也就驗(yàn)證了廣義相對(duì)論。

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

引力波很難探測(cè)，因?yàn)樽顝?qiáng)的引力波導(dǎo)致的相對(duì)長(zhǎng)度變化也只有0.001（其中小數(shù)點(diǎn)后面有21個(gè)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(fā)現(xiàn)引力波導(dǎo)致一個(gè)中子星和與之互相環(huán)繞的伴星之間的距離越來(lái)越小，因此獲1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但直到2015年，引力波還沒有被直接探測(cè)到。

引力波如何被探測(cè)到？激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）的探測(cè)原理基于激光干涉。LIGO包括兩個(gè)同樣的探測(cè)器，它們相距3002公里，分別位于美國(guó)華盛頓州與路易斯安那州。兩個(gè)探測(cè)器共同工作，可排除其他信號(hào)，比如地震。每個(gè)探測(cè)器是一個(gè)巨大的邁克爾遜干涉儀（圖3），有兩個(gè)互相垂直的、約4公里長(zhǎng)的臂，構(gòu)成L-形。一束激光分成兩束，分別進(jìn)入兩臂。在每個(gè)臂中，激光被兩端的鏡子來(lái)回反射多次。最后兩束激光再疊加起來(lái)，這就是干涉。疊加（干涉）以后的光強(qiáng)決定于兩臂長(zhǎng)度差，所以用來(lái)測(cè)量?jī)杀坶L(zhǎng)度差。

引力波經(jīng)過(guò)探測(cè)器時(shí)，每個(gè)臂的長(zhǎng)度都時(shí)長(zhǎng)時(shí)短地振蕩，而且步調(diào)相反，一個(gè)臂變長(zhǎng)時(shí)，另一個(gè)變短。所以兩臂長(zhǎng)度差也在振蕩，從而激光干涉的光強(qiáng)也在振蕩。由此就可以反推出引力波的性質(zhì)（圖4，圖5）。

LIGO測(cè)到，干涉儀的臂發(fā)生了4×10-19米的長(zhǎng)度改變。作為人類歷史上最精密的測(cè)量，這里的測(cè)量技術(shù)與量子物理相關(guān)。

2016年2月11日，LIGO合作組宣布，他們于2015年9月14日探測(cè)到了引力波，它來(lái)自一個(gè)質(zhì)量為36太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞與一個(gè)29太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞的碰撞，然后并合為一個(gè)62太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，失去的3太陽(yáng)質(zhì)量轉(zhuǎn)化為引力波的能量?！疤?yáng)質(zhì)量”是天體質(zhì)量的單位，1個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量意思就是說(shuō)，它的質(zhì)量等于太陽(yáng)的質(zhì)量。

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

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

“復(fù)旦-中植科學(xué)獎(jiǎng)”由復(fù)旦大學(xué)和中植企業(yè)集團(tuán)合作設(shè)立，以表彰在數(shù)學(xué)、物理學(xué)和生物醫(yī)學(xué)三個(gè)學(xué)科領(lǐng)域做出原創(chuàng)性杰出貢獻(xiàn)的全球科學(xué)家。該獎(jiǎng)項(xiàng)每三年在這三個(gè)學(xué)科領(lǐng)域中輪流評(píng)獎(jiǎng)，今年將授予在物理學(xué)領(lǐng)域做出杰出貢獻(xiàn)的科學(xué)家。

“復(fù)旦-中植科學(xué)獎(jiǎng)”理事會(huì)決議，將2017年“復(fù)旦-中植科學(xué)獎(jiǎng)”授予：

雷納·韋斯（Rainer Weiss），麻省理工學(xué)院教授：發(fā)明的激光干涉引力波探測(cè)器是LIGO裝置的基礎(chǔ)。他首次分析了探測(cè)器的主要噪聲來(lái)源，并領(lǐng)導(dǎo)了LIGO儀器科學(xué)的研究，最終使LIGO達(dá)到了足夠的靈敏度，在人類歷史上第一次探測(cè)到了引力波。

基普·索恩（Kip S. Thorne），加州理工學(xué)院教授：奠定了引力波探測(cè)的理論基礎(chǔ)，他開創(chuàng)了引力波波形計(jì)算以及數(shù)據(jù)分析的研究方向，并對(duì)LIGO儀器科學(xué)做出了重要貢獻(xiàn)，特別是提出了量子計(jì)量學(xué)理論的一系列基本概念。

巴里·巴里什（Barry Barish），加州理工學(xué)院教授：領(lǐng)導(dǎo)了LIGO建設(shè)及初期運(yùn)行，建立了LIGO國(guó)際科學(xué)合作，他把LIGO從幾個(gè)研究小組從事的小科學(xué)成功地轉(zhuǎn)化成了涉及眾多成員并且依賴大規(guī)模設(shè)備的大科學(xué)，最終使引力波探測(cè)成為可能。

LIGO探測(cè)到引力波，意義不僅在于直接驗(yàn)證廣義相對(duì)論預(yù)言的引力波的存在，還在于開啟了對(duì)強(qiáng)引力以及黑洞的直接觀測(cè)，打開了認(rèn)識(shí)宇宙的一個(gè)新窗口。在這之前，我們關(guān)于宇宙的信息來(lái)自宇宙中傳來(lái)的電磁波和高能粒子，而引力波帶來(lái)了主宰宇宙的引力的直接信息。

二 引力波得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)？可能還有神秘人物來(lái)分享

去年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)公布前，我認(rèn)為不會(huì)授予當(dāng)年2月宣布的引力波的發(fā)現(xiàn)，而是會(huì)授予凝聚態(tài)物理中的拓?fù)浞较?。今年年初，我在“知識(shí)分子”年會(huì)演講中說(shuō)引力波的直接探測(cè)將獲得2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

對(duì)LIGO直接探測(cè)到引力波的科學(xué)貢獻(xiàn)最大的是：最早提出用激光干涉儀探測(cè)引力波并作噪聲分析的雷納·韋斯、對(duì)激光干涉儀的穩(wěn)定性和敏感性作出重要貢獻(xiàn)的羅納德·德雷弗、對(duì)引力波探測(cè)和LIGO作了很多理論工作的基普·索恩。而巴里·巴里什對(duì)建立LIGO國(guó)際合作并將其轉(zhuǎn)化為大科學(xué)作出了關(guān)鍵貢獻(xiàn)。

最近，復(fù)旦-中植獎(jiǎng)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(xué)獎(jiǎng)確實(shí)會(huì)授予對(duì)LIGO作出杰出科學(xué)貢獻(xiàn)的韋斯和索恩。

但是，每項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)可以授予一到三人，那第三個(gè)機(jī)會(huì)是給予巴里什還是放棄？

我覺得都不會(huì)。

我覺得第三個(gè)獲獎(jiǎng)?wù)呖赡苁牵?/p>

①

斯蒂芬·霍金（Stephen William Hawking）！

是的，當(dāng)今最著名的理論物理學(xué)家霍金。長(zhǎng)期以來(lái)，天下人都知道，他對(duì)引力和宇宙學(xué)的貢獻(xiàn)是偉大的，但是難以得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

然而，引力波的直接探測(cè)已經(jīng)改變了這一點(diǎn)，也就是說(shuō)，他有一部分工作與之關(guān)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(tài)解必須是軸對(duì)稱的。

1970年，他提出，黑洞的視界面積不會(huì)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(dòng)力學(xué)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(wú)發(fā)定理”：黑洞只需要由質(zhì)量、電荷和轉(zhuǎn)動(dòng)角動(dòng)量描述。

1971年，他還利用面積不減定理研究了黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波的能量上限。據(jù)稱他還設(shè)計(jì)過(guò)引力波探測(cè)器。

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

可以驗(yàn)證，每次得到的大黑洞的質(zhì)量的平方都大于原來(lái)的兩個(gè)小黑洞的質(zhì)量平方之和。因?yàn)楹诙吹囊暯缑娣e正比于質(zhì)量的平方，所以這就驗(yàn)證了面積不減定理——即霍金的觀點(diǎn)。

綜上所述，我猜測(cè)2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)可能授予對(duì)引力波直接探測(cè)及黑洞物理作出杰出貢獻(xiàn)的科學(xué)家：

雷納 · 韋斯：最早發(fā)明用激光干涉探測(cè)引力波并作噪聲分析，領(lǐng)導(dǎo)了LIGO研究。

基普 · 索恩：引力波探測(cè)與LIGO的理論工作以及相關(guān)的量子測(cè)量理論。

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

諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)詞會(huì)強(qiáng)調(diào)，LIGO直接探測(cè)到黑洞并合產(chǎn)生的引力波，不僅是驗(yàn)證了廣義相對(duì)論和引力波的存在，更重要的是打開了觀測(cè)宇宙的新窗口，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)引力區(qū)和黑洞的直接觀測(cè)。

三 后續(xù)

以上兩部分原是筆者在諾貝爾獎(jiǎng)宣布前發(fā)表于微信公眾號(hào)的兩篇文章，其中第一部分也是作者在復(fù)旦-中植科學(xué)獎(jiǎng)新聞發(fā)布會(huì)上所作的科學(xué)背景介紹（圖6）。

在上面第二部分里提到了一個(gè)新結(jié)果，那是在復(fù)旦-中植科學(xué)獎(jiǎng)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(tái)VIRGO宣布，他們于8月14日，共同探測(cè)到一次黑洞并合產(chǎn)生的引力波。

10月3日，瑞典皇家科學(xué)院宣布①，2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)一半授予韋斯，另一半授予索恩和巴里什，“因?yàn)樗麄儗?duì)LIGO探測(cè)器和引力波觀測(cè)的決定性貢獻(xiàn)（for decisive contributions to the LIGO detector and the observation of gravitational waves）”。

對(duì)于三位科學(xué)家各自的貢獻(xiàn)，諾貝爾獎(jiǎng)官方新聞發(fā)布并沒有如復(fù)旦-中植獎(jiǎng)決議中那樣做詳細(xì)介紹，也沒有如本文作者那樣每人做一句話的總結(jié)。在中國(guó)，很多諾獎(jiǎng)報(bào)道和評(píng)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(nèi)容②，甚至沿用了與諾獎(jiǎng)不同的復(fù)旦-中植獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)人順序和本文所用照片。

筆者將諾獎(jiǎng)官方新聞發(fā)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(yù)言的這個(gè)波來(lái)自兩個(gè)黑洞的碰撞。這個(gè)波花了13億年到達(dá)美國(guó)LIGO探測(cè)器。信號(hào)到達(dá)地球時(shí)特別弱，但是已經(jīng)能夠帶來(lái)天體物理的革命。引力波是觀察空間中最激烈的事件、檢驗(yàn)我們知識(shí)范圍的全新的途徑。

將結(jié)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(jīng)被用來(lái)探索宇宙。 但是，引力波是時(shí)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(guò)的世界。大量的發(fā)現(xiàn)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(jiǎng)官方新聞發(fā)布的開頭和結(jié)尾與筆者的第一篇文章內(nèi)容和第二篇文章對(duì)頒獎(jiǎng)詞的期待都是一致的，特別是，筆者第一篇文章結(jié)尾包含了諾獎(jiǎng)官方新聞發(fā)布結(jié)尾的信息：

LIGO探測(cè)到引力波，意義不僅在于直接驗(yàn)證廣義相對(duì)論預(yù)言的引力波的存在，還在于開啟了對(duì)強(qiáng)引力以及黑洞的直接觀測(cè)，打開了認(rèn)識(shí)宇宙的一個(gè)新窗口。在這之前，我們關(guān)于宇宙的信息來(lái)自宇宙中傳來(lái)的電磁波和高能粒子，而引力波帶來(lái)了主宰宇宙的引力的直接信息。[1]

在10月4日的諾獎(jiǎng)解讀中，筆者寫道：

可以期待，引力波的觀測(cè)將會(huì)更加常態(tài)化，引力波天文學(xué)將會(huì)發(fā)展起來(lái)，其他引力波源，比如中子星并合、超新星爆發(fā)等等將來(lái)也應(yīng)該會(huì)被觀測(cè)到。[3]

話音剛落，這句話被應(yīng)驗(yàn)了。10月16日，LIGO和VIRGO又宣布，他們于8月17日第一次觀測(cè)到兩個(gè)中子星并合產(chǎn)生的引力波。這個(gè)事件還產(chǎn)生了短伽馬射線暴，被費(fèi)米（Fermi）伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星和國(guó)際伽馬射線天體物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室衛(wèi)星（INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory Fermi，簡(jiǎn)稱INTEGRAL）的伽馬射線探測(cè)器探測(cè)到。全球70多個(gè)涵蓋各個(gè)電磁波波段的望遠(yuǎn)鏡對(duì)這個(gè)伽馬射線暴的余輝進(jìn)行了觀測(cè)，確定它位于長(zhǎng)蛇座的星系NGC 4993。觀測(cè)結(jié)果認(rèn)定了這是一個(gè)中子星碰撞并合過(guò)程，導(dǎo)致短伽馬射線爆，并表明中子星碰撞導(dǎo)致快速中子俘獲過(guò)程，是合成金、鉑等比鐵重的元素的主要來(lái)源，而且所產(chǎn)生的放射性原子核的衰變還導(dǎo)致被稱作千新星的強(qiáng)烈電磁輻射。引力波天文臺(tái)與傳統(tǒng)天文望遠(yuǎn)鏡合作觀測(cè)中子星并合表明，引力波和電磁波的探測(cè)可以協(xié)同進(jìn)行，標(biāo)志著引力波天文學(xué)，乃至多信使天文學(xué)確實(shí)開始了。

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

有趣的是，在LIGO官方網(wǎng)站上①，復(fù)旦-中植科學(xué)獎(jiǎng)、LIGO和VIRGO共同探測(cè)到引力波、諾貝爾獎(jiǎng)、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(xiàn)

[1]施郁. 三位引力波獵手， 獲第二屆“復(fù)旦-中植科學(xué)獎(jiǎng)”[Z].知識(shí)分子， 2017-09-22.

[2]施郁. 引力波得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)？可能還有神秘人物來(lái)分享？[Z]. 果殼科學(xué)人，2017-09-30.

[3]施郁. 為什么今年物理諾獎(jiǎng)毫無(wú)懸念？[Z]. 知識(shí)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