苟利軍：引力波-人類傾聽星辰大海的聲音

（原標題：專訪丨苟利軍：引力波--人類傾聽星辰大海的聲音）

今年2月11日，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）首次直接探測到了引力波。許多科學界大牛都對此表示關注，而廣大看熱鬧的吃瓜群眾則紛紛表示：引力波是什麼波？有輻射嗎？會影響胎兒發育嗎？

如果你對這個問題抱有執念卻無論如何也看不懂天文學家們那一篇篇彷彿天書般的論文和「科普文」的話，那麼這次真正能幫到你的人出現了：他是中國著名的天體物理學家，國家天文台恆星級黑洞研究創新小組主要負責人，同時也是科幻小說的譯者，之前大熱的《星際穿越》的原著中文版就出自他手。他像霍金一樣，擅長將晦澀難懂的天體物理知識做出深入淺出的解讀，在短短的講座時間裡，他可以講清楚引力波到底是什麼，對我們的生活又將有什麼影響。

他叫苟利軍，一個博士，一位科學家，更是一名「段子手」。2016年9月20日19:30，苟利軍來到全新一代君越·思想湃，為廣大好奇寶寶們講講關於引力波和黑洞的故事，帶領我們傾聽星辰大海。

什麼是引力波？

引力波這三個字，在我們看來就是屬於那種拆開了都認識，但合在一起卻不知為何物的東西。引力波究竟是什麼呢？苟利軍是這樣解釋的：

「那引力波到底是什麼呢？引力波的話首先我們聽這個名詞，它包括兩部分，一部分是引力，另外一部分就是波。所以我們要理解引力波的話，就要去理解引力是什麼，波是什麼，波要傳動的話，波要傳播。那自然需要媒介，所以這個媒介就是時空。」

牛頓發現了萬有引力，而愛因斯坦則以他的相對論進一步完善了「引力」這個概念。牛頓認為引力是由於物體質量的存在而引起的，而在愛因斯坦的廣義相對論里，引力是由「時空的彎曲」而引起的。甚至可以換句話說，是有質量的物體引起了它周圍的時空產生彎曲，這種時空彎曲使得物體在運動時遵循了一定的規律，這種規律曾經被牛頓解釋為「萬有引力」，但事實上在廣義相對論看來，引力是不存在的一個概念。

要理解這一點，苟利軍做了一個非常生動的比喻。「我們可以把時空，就是說想像成一個橡膠膜一樣的東西，而位於其中各種各樣天體，就是不同質量的這種物體呢，會造成時空這張薄膜的彎曲。就像右邊所畫的，你比如說太陽中子星和黑洞，因為它們的質量、密度不太一樣，所以的話對於時空所造成的這種彎曲的程度也就不太一樣。」而在這些大質量的物體所扭曲的時空中運動的物體，雖然試圖以直線（測地線）來行動，但最終還是會表現為一個曲線的運動。

愛因斯坦在發現了這一點之後，把他這種想法歸納成一個非常簡潔的公式，也就是我們現在所熟知的愛因斯坦方程，在方程左邊它是代表了時空的幾何結構，而在方程另外一側它是代表了時空，就是說時空所包含的能量和動量。

而當你理解了廣義相對論里這些關於「時空彎曲」的基礎理論之後，理解「引力波」也就不那麼困難了。既然大質量的物體可以引起時空彎曲，那麼引起這種彎曲的能量必然會形成波動——就好像我們向平靜的水面上丟一顆石頭進去一樣。由水面為傳播介質的波動是水波紋，而就像這水面一樣，由時空為介質傳播的波動，就叫「引力波」。

引力波為什麼這麼重要？

那麼，為什麼引力波的發現，會引起科學界如此大的震動和關注呢？原因其實非常簡單：引力波的發現，第一次在實驗上證實了愛因斯坦的廣義相對論的正確性，並且它證明了「時空」的存在。

愛因斯坦在1915年提出了廣義相對論，在第二年也就是1916年的時候，就用愛因斯坦方程得出精確解，得出了引力波存在的猜想。但是100年來，雖然科學家們嘗試了各種方法想去探測引力波，試圖證明引力波的存在，卻往往勞而無功。愛因斯坦的廣義相對論雖然在理論上無可挑剔，卻遲遲得不到直接證據的驗證。

而在引力波被真正發現之後，科學家們終於可以證明這一點，其意義之重大，用苟利軍的話來說，「引力波可以說是人類在探索宇宙的這個過程當中，將會帶來我們第五次飛躍」。前四次飛躍分別是：伽利略在1609年用望遠鏡觀測宇宙；1930年代貝爾實驗室發現宇宙無線電波；1960年代美國人發現高能宇宙X射線;1987年開創了中微子天文學。

引力波是如何被發現的？

在愛因斯坦提出有引力波存在的猜想之後，在很長時間內，科學家們並沒有用實驗去尋找它。直到1950年代，美國的物理學家弗爾米（音），他通過思維上的實驗證明了引力波應該是真實存在的，之後首先掀起了實驗上的一股熱潮。最早做這種實驗的是美國馬里蘭大學的韋伯（音）教授，他當時設計的思想其實非常簡單，他說如果一個引力波存在的話，經過我們地球那我可以設計一個設備，當這個設備跟引力波的頻率差不多非常接近的時候，或者就是說完全一致的時候，那就會引起共振，這種共振現象產生，就說明探測到了引力波。

雖然韋伯教授後來多次宣稱他探測到了引力波，但其他物理學家都無法重複他的實驗結果——在科學界，不可重複實驗結果的實驗，就可以認為是無效的。顯然，韋伯的方法行不通。

但韋伯的實驗開闢了引力波探測的真正熱潮，吸引了許多科學家加入實驗。1970年代的時候，美國普林斯頓大學的Joseph H.Taylor教授和他的學生Russell A. Hulse，發現了一個特殊的雙中子星系統，特殊是在什麼地方？他們發現那個周期會衰減，衰減意味著能量有損失，這些損失的能量到底是什麼地方呢？而之前發現的一些其他系統都表現很穩定，所以他們就對這個系統是非常的好奇。最後,他們發現還是用引力波理論來解釋最完美的，通過二十多年的觀測結果發現，觀測跟引力波理論是完美符合。1993年的時候，兩人因此而獲得了諾貝爾物理學獎。

在他們的啟發下，麻省理工學院的Rainer Weiss教授就想到是不是可以利用所謂激光干涉的方法來探測引力波的存在。激光打到一個分束鏡，分成兩束，沿著很長的距離傳播以後，在鏡子上分別反射，打回到分束鏡上。如果兩束的臂長一樣，這兩束打回來的光會在分束鏡上合成一束從入射口回去，另外一口是沒有光的。但是，如果有引力波，鏡子的位置改變，導致的位移就會導致兩束返回的光在分束鏡上的相位有所變化，導致在沒有光的口會產生信號光。把信號光檢測出來以後，就可以探測出引力波。這種方法的好處是可以使臂長變得很長，越長就越可以放大引力波導致的鏡子的運動。

1990年代初，Rainer Weiss領導的LIGO項目得到了美國國家科學基金的資助，在美國的華盛頓州和路易斯安那州分別建造一個干涉儀，呈現L形排列，利用邁克耳遜干涉儀原理進行測量引力波。

L形測量臂很長，達到4公里，兩個測量臂垂直排列，兩端各有反射鏡面。科學家認為激光在測量反射臂上來回反射，如果幹涉條紋發生了變化，就說明探測到了引力波事件。「十餘年運作沒有發現引力波事件，科學家們對激光干涉引力波天文台進行了升級，從2010年到2015年進行了第一次升級，升級完成後的LIGO於2015年9月14日開始正式運行，在運行5分鐘之後就探測到我們現在所熟知的第一例引力波事件，命名為GW150914。」

這次探測到的引力波，是由兩個黑洞合并所造成的，能量驚人。而這一次的發現，其在地球上的影響力同樣驚人。

引力波會對我們的生活產生什麼影響？

引力波的發現，對許多人而言或許又要多一層關於「輻射」和的擔心了？苟利軍笑稱，淘寶上第二天就出現了「防引力波」的服裝，中國人的商業頭腦真不是蓋的。

那麼，引力波到底會對我們產生什麼影響呢？從引力波本身來講，它確實會對物體產生一定影響，就是可以改變物體周圍的時空。但是會有多大改變呢？苟利軍舉了個例子，人類做過最大當量的氫彈試驗是前蘇聯做的500萬當量的爆炸，它對時空會產生一定擾動，引起引力波，但這種引力波非常非常小。比如對於一個一米長的物體，這種引力波導致的變化量是十的負二十七次方米，而一個原子的大小是十的負十次方米。

而宇宙中的超新星爆發、黑洞和中子星的合并都會產生更大的能量，也會產生更大的引力波。但由於距離遙遠，我們目前只是能檢測到它，而它對我們生活的影響，可以說微乎其微。用苟利軍的話來說：「擠地鐵和公交車對你身體造成的變化，也比引力波要大得多。」所以我們大可不必擔心引力波本身對我們身體有什麼危害，而所謂「防引力波」的衣服，則更是無稽之談。

而至於引力波研究帶來的現實意義，苟利軍表示，這個研究還是屬於基礎科學研究的範疇，它不會像VR技術那樣有特別快的現實轉化，但是從長遠來看，這是科學邁上了一大台階的標誌性事件。苟利軍又舉了個例子，「引力波的這種意義，不亞於，非常類似於有聲電影和無聲電影這兩者之間的這種差別。」因為在引力波被發現之前，我們只能通過觀察來看宇宙，而引力波的波長跟人耳能聽到的聲音的波長相似，從此我們可以通過特殊手段，來「聽到星辰大海的聲音」。

責編：海聞

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