本文關(guān)鍵詞：實測天體物理，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

長江商報消息 本報記者專訪華中科技大學(xué)教授縱論引力波

□本報記者 張萌

宇宙浩瀚，人類一直很孤獨。仰望星空，是人類古老的傳統(tǒng)，我們渴望探索未知的宇宙，從未停止腳步。

在現(xiàn)代科學(xué)還沒有誕生之前，宇宙幾乎不可探知，多數(shù)人面對頭頂上神秘的星空，既敬畏又恐懼。 對此，古人說:“六合之外，存而不論”。但是，科學(xué)的精神卻從不懈怠，未知領(lǐng)域才是科學(xué)前進(jìn)的方向。

2016年2月12日，科學(xué)家們宣布:“引力波終于被探測到了!”這一消息讓全球為之驚喜。此次發(fā)現(xiàn)并不是科學(xué)史上的“玩笑”，科學(xué)家們很慎重——美國加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院、LIGO(激光干涉引力波天文臺)科學(xué)聯(lián)盟和美國國家科學(xué)基金會聯(lián)合宣布，人類首次探測到了來自宇宙深處的引力波。

在科學(xué)界之外，引力波成為各大主流媒體關(guān)注的焦點。同時，在社交網(wǎng)絡(luò)上，引力波成為新的談資，朋友圈中紛紛傳來引力波的文章。一時間，科學(xué)界、民間和媒體都在關(guān)心引力波，人們突然變得如此關(guān)心起宇宙的問題來。

什么是引力波，能否用三言兩語輕松地就把這個問題解讀了？引力波的發(fā)現(xiàn)對于這個世界來說意義究竟如何？科學(xué)家們又是如何看待這場重大事件的？普通人又將如何走進(jìn)這門深奧的學(xué)科，持續(xù)享受宇宙帶來的快樂？我們?yōu)榇藢ＴL了華中科技大學(xué)物理學(xué)教授汪定雄，以專業(yè)的視角，科學(xué)的態(tài)度，真正暢談一次科學(xué)家眼中的引力波。

人類在探索宇宙方面向前邁了一大步

長江商報：您所了解的科學(xué)界內(nèi)部是如何看待這一事件的?

汪定雄：作為廣義相對論的理論預(yù)言，引力波被LIGO直接探測到，其科學(xué)意義非常重要，國內(nèi)外科學(xué)界一片沸騰。得知這個消息后，我們天體物理群里面就沸騰了，甚至有的人太過興奮，而徹夜未眠。

長江商報：既然如此，那么從科學(xué)的角度來看，“引力波被成功探測”其意義究竟何在？

汪定雄：大致總結(jié)一下，其意義體現(xiàn)在以下3個方面。

首先，這次成功探測表明人類在利用引力波認(rèn)識和探索宇宙方面向前邁進(jìn)了一大步。以目前的科學(xué)手段來看，天文觀測一共有4個信息渠道，即電磁波、中微子、宇宙線和引力波。其中，引力波信號極其微弱，因而過去引力波這個信息渠道并沒有利用起來，也就沒有獲取到宇宙信息。

其次，這次引力波的探測來自兩個恒星級別黑洞的并合過程，是對引力波的直接測量。這個發(fā)現(xiàn)非常重要，很可能獲得諾貝爾獎。（注：1974年，美國物理學(xué)家泰勒和赫爾斯利用射電望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)了由兩顆質(zhì)量大致與太陽相當(dāng)?shù)闹凶有墙M成的相互旋繞的雙星系統(tǒng)PSR1913+16。觀測結(jié)果精確地按廣義相對論所預(yù)測的那樣：當(dāng)兩個致密星體近距離彼此繞旋時，該體系會產(chǎn)生引力輻射，這是人類第一次得到引力波存在的間接證據(jù)。泰勒和赫爾斯因此獲得1993年諾貝爾物理學(xué)獎。）

第三，此次引力波的成功探測是理論與激光技術(shù)的完美結(jié)合。一方面證明廣義相對論是描述宇宙的成功理論，另一方面證明激光干涉技術(shù)是測量宇宙微弱信息的有效手段。

長江商報：對于大多數(shù)人而言，要想真正理解“引力波”恐怕是件很費“腦力”的嚴(yán)肅事情。因為要進(jìn)入這個問題，首先還要具備一些理論物理或天體物理的知識。就像要吃一個堅果，首先要打破那個堅硬的果殼。您能夠以通識的、大眾可理解的方式，結(jié)合本次引力波事件，介紹一下理論物理和天體物理這兩門學(xué)科嗎？

汪定雄：物理學(xué)可以分為理論物理學(xué)和實驗物理學(xué)兩個領(lǐng)域，所以理論物理是物理學(xué)的一個重要方面。本質(zhì)上看，物理學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，理論物理學(xué)提出的模型必須受到實驗的檢驗。

可以先發(fā)現(xiàn)實驗現(xiàn)象，再提出理論模型對現(xiàn)象進(jìn)行解釋，例如光電效應(yīng)；也可以先有理論預(yù)言，再通過實驗或觀測去檢驗理論的正確與否。這次引力波的直接探測就是證明100年前廣義相對論的理論預(yù)言的。

天體物理屬于天文學(xué)與物理學(xué)的交叉科學(xué)，它又分為實測天體物理和理論天體物理，這次引力波的測量就是實測天體物理和理論天體物理的結(jié)合。另外，天文學(xué)有一個新的分支叫引力波天文學(xué)（其中既有實驗部分也有理論部分）。諾貝爾獎沒有天文學(xué)獎，因此這次引力波的發(fā)現(xiàn)，如果要拿諾貝爾獎的話就是諾貝爾物理學(xué)獎。

引力波不能被屏蔽，也不會被物質(zhì)阻隔

長江商報：探測引力波很長一段時間內(nèi)被視為“不可能完成的任務(wù)”。近一個世紀(jì)以來，也不斷有實驗聲稱直接探測到了引力波，還屢次造成了轟動效果。那么，在您看來此次LIGO所探測到的數(shù)據(jù)是否也跟以前一樣，是一場誤解？此次探測的準(zhǔn)確性有多大？

汪定雄：不錯，以前的確有很多次宣布引力波的發(fā)現(xiàn)后來又被否定。例如，20世紀(jì)60年代的韋伯實驗，以及2014年的BICEP實驗。但是這次激光干涉引力波天文臺(LIGO)探測到的引力波是可靠的、準(zhǔn)確的，態(tài)度是謹(jǐn)慎的、科學(xué)的。

引力波新聞發(fā)布的時間是2016年2月12日，比首次探測到引力波的時間（2015年9月14日）晚了近5個月，可見這條新聞發(fā)布是非常謹(jǐn)慎的。

LIGO由位于路易斯安娜州利文斯頓和華盛頓州漢福德兩個探測器組成，引力波信號被兩個探測器同時測到，觀測顯示的波形曲線的變化完全符合廣義相對論的理論模型預(yù)言。

長江商報：為什么說引力波是“時空漣漪”？它如何在宇宙中穿行，為何不被其他物質(zhì)（或暗物質(zhì)）或能量阻隔？

汪定雄：廣義相對論認(rèn)為引力的本質(zhì)是時空幾何在物質(zhì)影響下的彎曲。物質(zhì)分布與時空度規(guī)（度規(guī)是描述時空幾何性質(zhì)的物理量）通過愛因斯坦引力場方程聯(lián)系起來，物質(zhì)在彎曲時空中走短程線。簡而言之就是：“物質(zhì)告訴時空如何彎曲，時空告訴物質(zhì)如何運動�！�

因而，如果物質(zhì)分布發(fā)生變化，就會引起時空彎曲的變化，從而導(dǎo)致引力波，用文學(xué)語言可以說引力波是“時空漣漪”，類似于石頭在平靜湖面激起的水波。 既然時空彎曲告訴物質(zhì)如何運動，那么原則上引力波帶來的時空曲率變化會引起它所在處物質(zhì)的位置變化。

與電磁波不同，引力波不能被屏蔽，也不會被物質(zhì)阻隔。由于引力波極其微弱，引起物質(zhì)的位置變化極其微小，這就是為什么100多年以來沒有直接測到引力波的原因。

長江商報：如果引力波不能被屏蔽，那么它是如何被捕捉到的呢？

汪定雄：LIGO的設(shè)計思想是引力波到來時會導(dǎo)致4公里長的兩個互相垂直的L形激光棒的干涉條紋發(fā)生變化。

引力波的直接探測，完成了廣義相對論的最后一塊拼圖

長江商報：從此次探測到的引力波數(shù)據(jù)中，我們可以讀出什么結(jié)果?新的突破點在哪里？

汪定雄：這次測量到的引力波信號來自13億光年的兩個恒星級黑洞的并合，這兩個黑洞一個質(zhì)量為29個太陽質(zhì)量，另一個質(zhì)量為36個太陽質(zhì)量，兩個黑洞互相繞轉(zhuǎn)，逐漸靠攏最后在極短的時間并合成一個質(zhì)量為62個太陽質(zhì)量的黑洞，并合前后的質(zhì)量差為3個太陽質(zhì)量，所對應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化為引力波釋放出來了�？梢哉f引力波的直接探測完成了廣義相對論的最后一塊拼圖。

除了證明廣義相對論是正確的以外，探測引力波的科學(xué)意義是人類首次聽到來自宇宙深處的“聲音”，從而極大促進(jìn)了引力波天文學(xué)和宇宙學(xué)的研究。引力波的探測與現(xiàn)實應(yīng)用之間是有一定距離，回想法拉第在發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)時，不是也沒有立即看到其應(yīng)用價值嗎？另外，各種引力波探測器的研制成功本身也具有重要的科學(xué)價值。

再次證明愛因斯坦的一句非常具有哲理的名言：“宇宙中最不可理解的事情是宇宙是可以理解的�！边@是人類智慧的勝利。

長江商報：基礎(chǔ)科學(xué)是辛苦的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮途徛�，又是震撼性的、革命性的和催化性的，這是基礎(chǔ)科學(xué)存在的一個悖論。麻省理工學(xué)院校長L.Rafael Reif說：“沒有基礎(chǔ)科學(xué)，最好的設(shè)想就無法得到改進(jìn)，創(chuàng)新只能小打小鬧。只有隨著基礎(chǔ)科學(xué)的進(jìn)步，社會才能進(jìn)步�！本湍壳皣鴥�(nèi)在“引力波”領(lǐng)域的研究處于什么階段？

汪定雄：國內(nèi)引力波研究正處于急起直追階段，目前引力波探測有天琴計劃、阿里計劃和太極計劃。中山大學(xué)的天琴計劃已于2015年啟動。太極計劃則是今年2月16日才正式對外宣布啟動，它與天琴計劃一樣同屬于空間引力波探測，也就是可以直接探測的引力波。阿里計劃則立足于地面設(shè)備的探測，用于探測頻率最低的原初引力波。其中，太極計劃是中歐合作計劃，天琴和阿里計劃則是我國獨立自主的。

長江商報：您長期從事“黑洞吸積盤的演化及其廣義相對論效應(yīng)”研究，是否能從您研究的領(lǐng)域視角，談?wù)勀母邢耄?/p>

汪定雄：黑洞吸積盤是天體物理的重要理論模型和能源機制，與引力波沒有直接聯(lián)系。但是兩個黑洞的并合過程可能伴隨黑洞吸積盤的演化，引力波信號的產(chǎn)生與傳播過程也可能伴隨電磁輻射信號的產(chǎn)生�，F(xiàn)在天文學(xué)已進(jìn)入多信使天文學(xué)階段，需要對來自電磁波、中微子、宇宙線和引力波四大渠道的信息進(jìn)行綜合處理與研究。

長江商報：如果普通大眾想要更多地了解理論物理和宇宙方面的知識，有哪些書籍值得推薦？供對此興趣的中學(xué)生和物理愛好者閱讀。

汪定雄：天文學(xué)是一門古老又年輕的科學(xué)，也是一門非常有魅力的科學(xué)。天文學(xué)是科普的重要領(lǐng)域。隨著我國國力的增強，天文觀測的投入越來越多，需要大量年輕人加入天文學(xué)研究的隊伍。

理論物理是物理專業(yè)大學(xué)生課程，宇宙學(xué)是天文專業(yè)大學(xué)生課程。天文科普是提高國民科學(xué)素質(zhì)的重要方面，在天文科普方面優(yōu)秀著作有很多，，其中最有影響的是霍金的《時間簡史》�！短煳膼酆谜摺冯s志是一本圖文并茂的天文科普雜志，辦得很好。騰訊科學(xué)有很多天文學(xué)信息與視頻，適合天文愛好者學(xué)習(xí)。

汪定雄

男，1946年2月出生。畢業(yè)于清華大學(xué)工程物理專業(yè)。現(xiàn)為華中科技大學(xué)物理教授、博士生導(dǎo)師，國際天文學(xué)會會員。主要研究黑洞吸積盤的演化及其廣義相對論效應(yīng)，利用磁流體動力學(xué)的方法研究黑洞與磁化吸積盤的相互作用。

兩個恒星級黑洞產(chǎn)生引力波的過程（從左至右先后經(jīng)歷旋進(jìn)，并合和靜停三個階段）及對應(yīng)的引力波曲線。

兩個恒星級黑洞并合產(chǎn)生引力波的示意圖。

受訪者供圖

  本文關(guān)鍵詞：實測天體物理，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。