制作：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心
導(dǎo)讀：400年前，伽利略開(kāi)始用望遠(yuǎn)鏡仰望星空。兩年前，我們第一次直接觀測(cè)到了引力波。人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界的進(jìn)程，令人心潮澎湃?？茖W(xué)的火種，在宗教、戰(zhàn)爭(zhēng)的威逼面前或許顯得弱小，但人類(lèi)一旦開(kāi)始科學(xué)的征途，就絕對(duì)不會(huì)停息。最終，科學(xué)會(huì)證明自身才是最強(qiáng)大的力量。?
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2015年9月14日，人類(lèi)首次直接探測(cè)到了引力波這個(gè)愛(ài)因斯坦在一百年前預(yù)言的奇妙現(xiàn)象，并在2016年初公布后引爆了公眾輿論。2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，授予了對(duì)此做出決定性貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家雷納 韋斯（Rainer Weiss）、巴里？巴里什（Barry Clark Barish）和基普 索恩（Kip Stephen Thorne）。?
2017年12月18日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院的科普論壇“墨子沙龍”舉行了引力波大會(huì)，邀請(qǐng)這三位諾貝爾獎(jiǎng)得主演講，并現(xiàn)場(chǎng)回答提問(wèn)?？拼蟪?wù)副校長(zhǎng)潘建偉院士擔(dān)任主持人，臺(tái)下的觀眾充滿熱情，提問(wèn)絡(luò)繹不絕，網(wǎng)絡(luò)直播也有幾十萬(wàn)人觀看。?
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墨子沙龍引力波大會(huì)?
三人的報(bào)告題目都是《向科學(xué)家、工程師以及他們的學(xué)生介紹LIGO和引力波》（LIGO and Gravitation Waves for Scientists, Engineers and their Students），LIGO就是他們的探測(cè)器（激光干涉引力波天文臺(tái)，Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）。雷納 韋斯、巴里？巴里什和基普 索恩依次介紹這個(gè)題目的第一、二、三部分。我躬逢其盛，在這里向大家介紹一下引力波的基本概念，以及這次大會(huì)的有趣見(jiàn)聞。?
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向科學(xué)家、工程師以及他們的學(xué)生介紹LIGO和引力波，第一部分?
最基本的問(wèn)題是：“引力”為什么會(huì)有個(gè)“波”？?
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兩個(gè)黑洞合并，放出引力波，形成類(lèi)似太極的圖案?
對(duì)此基本的回答是：因?yàn)闀r(shí)空有了結(jié)構(gòu)。?
展開(kāi)來(lái)解釋一下。我們平時(shí)觀察到的物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，都是發(fā)生在時(shí)空之中的。不妨理解為，物質(zhì)是演員，時(shí)空是這些演員表演的舞臺(tái)。普通的波，例如水波、聲波、電磁波，都是演員在運(yùn)動(dòng)，舞臺(tái)不動(dòng)。而引力波，是舞臺(tái)本身的運(yùn)動(dòng)。所以在許多報(bào)道中，把引力波稱(chēng)為“時(shí)空的漣漪”。?
舞臺(tái)能有波動(dòng)，是因?yàn)樗诓煌牡胤娇梢杂兴煌?，也就是“有結(jié)構(gòu)”。這是廣義相對(duì)論特有的性質(zhì)，牛頓力學(xué)和狹義相對(duì)論都沒(méi)有。?
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牛頓：又有人要把我批判一番，搞個(gè)大新聞？?
如果你對(duì)引力波、相對(duì)論的細(xì)節(jié)不感興趣，或者無(wú)法看懂，那么你只需要記住“引力波是舞臺(tái)本身的運(yùn)動(dòng)”就夠了，這一點(diǎn)認(rèn)識(shí)就足以使你超越大多數(shù)的吃瓜群眾。如果你想了解更多，那么我們繼續(xù)往下談。?
在牛頓力學(xué)中，時(shí)空是一個(gè)平淡無(wú)奇的舞臺(tái)，因?yàn)闀r(shí)間就是均勻的流逝，空間就是均勻的綿延。無(wú)論物質(zhì)有多少、怎么運(yùn)動(dòng)，對(duì)這個(gè)舞臺(tái)都沒(méi)有影響，所以不可能有波動(dòng)。現(xiàn)在我們把牛頓的時(shí)空觀稱(chēng)為絕對(duì)時(shí)空觀。?
愛(ài)因斯坦的相對(duì)論之所以叫相對(duì)論，就是因?yàn)樗蚱屏伺ｎD的絕對(duì)時(shí)空觀，從此時(shí)空變成相對(duì)的東西了。?
牛頓力學(xué)有什么地方不對(duì)呢？不對(duì)的是“速度的疊加”。比如說(shuō)，你在一列速度為50米每秒的火車(chē)?yán)锴斑M(jìn)，你相對(duì)于火車(chē)的速度是5米每秒，那么你相對(duì)于地面的速度就是55米每秒。這很符合日常的經(jīng)驗(yàn)，但應(yīng)用到光速時(shí)，問(wèn)題就來(lái)了。?
地球既然在宇宙中運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓力學(xué)，光在地球不同方向（例如經(jīng)線和緯線方向）的速度就應(yīng)該不同。1887年，真的有人做了這樣的實(shí)驗(yàn)，這是一個(gè)非常著名的實(shí)驗(yàn)，叫做邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)（Michelson–Morley experiment）。這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得非常精密，如果光在地球不同方向的速度有差值，就會(huì)由于兩路光走過(guò)的路程不同（即有“光程差”），產(chǎn)生干涉條紋。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻讓所有人大吃一驚：看不到干涉條紋。也就是說(shuō)，測(cè)不出任何差值！?
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邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)，本來(lái)以為會(huì)觀測(cè)到干涉條紋，結(jié)果卻是沒(méi)有干涉條紋?
許多科學(xué)家對(duì)此提出了種種解釋?zhuān)际切⌒扌⊙a(bǔ)，只在這里打塊補(bǔ)丁，顧不上其他地方，結(jié)果是左支右絀，把整個(gè)物理學(xué)體系搞得矛盾百出。1905年，愛(ài)因斯坦邁出了革命性的一步。他提議，“光速在所有的參照系中都不變”應(yīng)該作為一條基本原理，而不是一個(gè)要從其他原理推出的結(jié)論。?
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愛(ài)因斯坦：大家好，我來(lái)了?
一旦邁出這一步，后面的推理就順理成章了。根據(jù)光速不變?cè)恚偌由弦粭l“相對(duì)性原理”（在所有的慣性參照系即做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系中，物理規(guī)律都具有相同的形式），愛(ài)因斯坦就推出了整個(gè)狹義相對(duì)論。?
根據(jù)狹義相對(duì)論，可以得到許多驚人的結(jié)果，例如鐘慢效應(yīng)（在運(yùn)動(dòng)的參照系中時(shí)間流逝得比靜止的參照系中慢）、尺縮效應(yīng)（在運(yùn)動(dòng)的參照系中距離比靜止的參照系中短）。?
而所有結(jié)果中最驚人的，是質(zhì)能關(guān)系E = mc2（這里c是光速，約等于30萬(wàn)公里每秒），一個(gè)體系包含的能量等于它的質(zhì)量乘以光速的平方。能量和質(zhì)量在某種意義上是一回事，只差一個(gè)常數(shù)因子。?
根據(jù)質(zhì)能關(guān)系，只要知道任何一個(gè)過(guò)程（例如核反應(yīng)）前后的質(zhì)量差，就可以預(yù)測(cè)這個(gè)過(guò)程放出的能量，都不需要知道過(guò)程的細(xì)節(jié)。這正是核武器的基本原理。所以對(duì)于懷疑狹義相對(duì)論的人（尤其是熱衷于推翻相對(duì)論的民科），我們可以提出一個(gè)非常硬的證明，就是核武器！?
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廣島和長(zhǎng)崎的原子彈爆炸?
狹義相對(duì)論使我們對(duì)時(shí)空的理解，也發(fā)生了深刻的變化。在牛頓力學(xué)中，時(shí)間就是時(shí)間，空間就是空間，兩者不會(huì)混合到一起。而在狹義相對(duì)論中，時(shí)間和空間必不可免地會(huì)混合到一起。?
對(duì)此最方便的理解，是回顧一下高中學(xué)的解析幾何。在解析幾何中，如果你把坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)一下，就可以把新的坐標(biāo)軸方向x′、y′變成舊的坐標(biāo)軸方向x、y的組合。但無(wú)論你采用什么坐標(biāo)系，解題時(shí)都會(huì)得到相同的結(jié)果。所以任何一個(gè)單獨(dú)的坐標(biāo)軸方向都不重要，真正重要的只是它們的組合。?
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坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)，把新的坐標(biāo)軸方向x′、y′變成舊的坐標(biāo)軸方向x、y的組合?
同樣的，在狹義相對(duì)論中，換一個(gè)參照系就可以把時(shí)間部分地變成空間，把空間部分地變成時(shí)間，所以時(shí)間和空間各自都不重要，真正重要的是它們的整體，即“時(shí)空”。原來(lái)的一維時(shí)間、三維空間，整合成了四維的時(shí)空。鐘慢效應(yīng)、尺縮效應(yīng)、質(zhì)能關(guān)系等等，原因都在于這個(gè)新的時(shí)空觀。?
狹義相對(duì)論表明了，所有的慣性參照系都是等價(jià)的，物理規(guī)律在所有的慣性參照系中都具有相同的形式。下一個(gè)問(wèn)題自然就是，非慣性的參照系怎么辦？我們能不能構(gòu)造一種理論，使得物理規(guī)律在所有的參照系中都具有相同的形式，無(wú)論它們是不是慣性參照系？?
非慣性的參照系，就是存在加速度的參照系。愛(ài)因斯坦注意到，一個(gè)質(zhì)量為m的物體受到的萬(wàn)有引力正比于m，而由此產(chǎn)生的加速度等于引力除以質(zhì)量，把m又除掉了，所以跟m無(wú)關(guān)。因此，一個(gè)非慣性參照系跟一個(gè)引力場(chǎng)，在物理上是等價(jià)的。?
舉個(gè)例子，如果你置身于一艘遠(yuǎn)離任何星球的宇宙飛船之中，它的加速度等于地球上的重力加速度，那么你看到的現(xiàn)象將跟在地面上完全一樣。你會(huì)感到向下的重力，所有的物體會(huì)自發(fā)地往下掉。如果不向外看，你無(wú)法判斷你是在地球上，還是在這樣一艘飛船里。?
引力場(chǎng)和非慣性參照系的等價(jià)性，叫做“等效原理”。愛(ài)因斯坦從這個(gè)原理出發(fā)，把狹義相對(duì)論推廣成了廣義相對(duì)論。?
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愛(ài)因斯坦：大家好，我又來(lái)了?
狹義相對(duì)論的數(shù)學(xué)比較簡(jiǎn)單，基本的微積分就夠了，甚至不用微積分、只用高中數(shù)學(xué)都能得到大半。而廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)就非常復(fù)雜，要用到“微分幾何”，連大學(xué)物理系里非理論物理專(zhuān)業(yè)的學(xué)生都大多不會(huì)，愛(ài)因斯坦本人也是在推導(dǎo)的過(guò)程中找數(shù)學(xué)家朋友現(xiàn)學(xué)的。?
但最重要的是，這樣一套復(fù)雜的理論居然推導(dǎo)出來(lái)了，而且經(jīng)過(guò)許多實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，證實(shí)它非常精確。凡是廣義相對(duì)論跟牛頓力學(xué)預(yù)測(cè)不同的地方，全都是廣義相對(duì)論正確，牛頓力學(xué)錯(cuò)誤。?
這樣的例子包括，水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)、光在經(jīng)過(guò)太陽(yáng)時(shí)的偏折、不同高度鐘表的走時(shí)差別等等。最后這個(gè)效應(yīng)對(duì)于GPS、北斗等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)非常重要，如果不考慮原子鐘在地面和在衛(wèi)星上的時(shí)間差，定位就會(huì)差之毫厘謬以千里。?
在廣義相對(duì)論中，我們對(duì)引力的描述方式變得比牛頓的平方反比律復(fù)雜多了，成了繞一個(gè)很大的彎子：質(zhì)量引起時(shí)空的彎曲，物體在彎曲的時(shí)空中運(yùn)動(dòng)，看起來(lái)就像是受到引力的作用一樣。?
這話是什么意思？?
我們看一張平坦的紙，它的曲率是零。在這張紙上面，三角形的內(nèi)角和等于180度，圓的周長(zhǎng)等于2 乘以半徑，如此等等，歐幾里得幾何（就是你初中學(xué)的平面幾何）的定理都成立。?
如果把這張紙變形一下，比如說(shuō)變成一個(gè)球面，曲率大于零，許多歐幾里得幾何的定理在這里就不成立了。例如，三角形的內(nèi)角和大于180度（你甚至可以做出三個(gè)內(nèi)角都是直角的球面三角形，它的內(nèi)角和高達(dá)270度），圓的周長(zhǎng)小于2 乘以半徑。?
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球面三角形?
如果把這張紙變成馬鞍形，曲率小于零，你同樣也會(huì)發(fā)現(xiàn)許多違反歐幾里得幾何的現(xiàn)象，只是表現(xiàn)在相反的方向。例如，三角形的內(nèi)角和小于180度，圓的周長(zhǎng)大于2 乘以半徑。?
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馬鞍面上的三角形，內(nèi)角和小于180度?
當(dāng)我們把彎曲的對(duì)象從一張紙（一個(gè)二維的面）推廣到相對(duì)論的時(shí)空（一個(gè)四維的幾何結(jié)構(gòu)），就明白“時(shí)空彎曲”是什么意思了，就是時(shí)空的每一點(diǎn)都可以有個(gè)或正或負(fù)或零的曲率。廣義相對(duì)論給出了質(zhì)量與附近的時(shí)空曲率之間的關(guān)系，質(zhì)量越大，對(duì)周?chē)臅r(shí)空產(chǎn)生的彎曲就越大。?
當(dāng)一個(gè)物體不受其他力、只在引力的作用下運(yùn)動(dòng)時(shí)，無(wú)論時(shí)空是彎曲的還是平坦的，它都只是按照距離最短的路線即“短程線”運(yùn)動(dòng)。如果時(shí)空是平坦的，短程線就是直線，這時(shí)沒(méi)有引力，它做的就是勻速直線運(yùn)動(dòng)。如果時(shí)空是彎折的，短程線就變成了曲線。這時(shí)在其他觀察者看來(lái)，這個(gè)物體似乎就是在引力的作用下運(yùn)動(dòng)。例如地球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)軌道，就是地球在太陽(yáng)周?chē)膹澢鷷r(shí)空中的短程線。?
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太陽(yáng)導(dǎo)致的時(shí)空彎曲，使地球的短程線變成曲線（虛線是直線，實(shí)線是實(shí)際走的路線，即短程線）?
用一個(gè)常用的比喻來(lái)說(shuō)：太陽(yáng)好比一個(gè)大胖子，他往沙發(fā)上一坐，就產(chǎn)生一個(gè)大坑，其他人坐在沙發(fā)上時(shí)，都會(huì)不由自主地被這個(gè)大坑陷進(jìn)去！?
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太陽(yáng)導(dǎo)致時(shí)空彎曲?
現(xiàn)在你可以明白，在廣義相對(duì)論中，不同地方的時(shí)空可以具有不同的曲率，所以說(shuō)時(shí)空有了結(jié)構(gòu)。既然有了結(jié)構(gòu)，自然就可以波動(dòng)了。實(shí)際上，根據(jù)廣義相對(duì)論，引力波應(yīng)該是一種極其常見(jiàn)的現(xiàn)象，任何不是球?qū)ΨQ(chēng)的物體的加速運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生引力波。?
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任何非球?qū)ΨQ(chēng)物體的加速運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生引力波?
咦，既然引力波這么常見(jiàn)，我們?yōu)槭裁椿诉@么久才探測(cè)到它？?
原因在于，引力波的可觀測(cè)效應(yīng)非常小。?
引力波的實(shí)際效果，是使時(shí)空在某一個(gè)方向壓縮，在另一個(gè)垂直的方向伸長(zhǎng)。在武俠電影中，經(jīng)常有一拳打出造成時(shí)空波動(dòng)的形象，對(duì)，就是這個(gè)feel！?
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霸王拳！（《三國(guó)演義》動(dòng)畫(huà)2017版，第一季第一集）?
更具體地說(shuō)，引力波在距離為L的兩點(diǎn)之間產(chǎn)生的變形，等于L乘以一個(gè)常數(shù)h。實(shí)驗(yàn)上真正要測(cè)量的目標(biāo)，就是這個(gè)比例常數(shù)h。?
但是這個(gè)比例常數(shù)小得驚人。對(duì)于兩個(gè)黑洞合并、把三個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的能量轉(zhuǎn)化為引力波這樣暴烈的事件（這就是2015年9月14日探測(cè)到的引力波事件），h也只有10的-21次方的量級(jí)！?
LIGO的光路長(zhǎng)度是4公里。在這個(gè)距離上，變形只有10的-18次方米的量級(jí)。一個(gè)原子的半徑，都大約有10的-10次方米。一個(gè)原子核的半徑，大約是10的-15次米。想想看，在幾公里的長(zhǎng)度上，只差一個(gè)原子核半徑的千分之一，這是什么樣的難度！這種實(shí)驗(yàn)是不是堪稱(chēng)瘋狂！?
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引力波測(cè)量的挑戰(zhàn)?
這正是人類(lèi)花了100年才探測(cè)到引力波的原因。但最神奇的是，我們終究還是做到了！?
LIGO的探測(cè)原理，跟邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)有相似之處，都是通過(guò)光程差產(chǎn)生干涉條紋。不同之處在于，相對(duì)論會(huì)告訴你，邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)中看起來(lái)應(yīng)該有光程差，但“這個(gè)真沒(méi)有”，而LIGO實(shí)驗(yàn)中看起來(lái)沒(méi)有光程差，但在引力波通過(guò)時(shí)就“這個(gè)可以有”。正是由于干涉條紋對(duì)于光程差的極端敏感性，才能測(cè)出這么微小的效應(yīng)。?
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LIGO的探測(cè)原理?
實(shí)際上，現(xiàn)代科學(xué)的許多成果，都來(lái)自探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步。?
2016年8月16日，中國(guó)發(fā)射了世界第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”。它的主要成果之一，是在衛(wèi)星與地面站之間實(shí)現(xiàn)量子保密通信。而要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，關(guān)鍵就是在星地之間上千公里的距離上，探測(cè)到單個(gè)光子，因?yàn)榱孔颖Ｃ芡ㄐ乓笠粋€(gè)光脈沖只能包含一個(gè)光子。?
衛(wèi)星和地面處于高速的相對(duì)運(yùn)動(dòng)之中，所以它們之間的對(duì)準(zhǔn)難度很大，好比“在五十公里以外把一枚一角硬幣扔進(jìn)一列全速行駛的高鐵上的一個(gè)礦泉水瓶里”。但經(jīng)過(guò)潘建偉等研究者的艱苦努力，我們終究還是做到了！?
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墨子號(hào)量子衛(wèi)星與興隆地面站用信標(biāo)光對(duì)準(zhǔn)?
最近，日本科學(xué)家也發(fā)射了一顆衛(wèi)星，用來(lái)研究量子保密通信。由于他們的對(duì)準(zhǔn)精度不夠，為了收到信號(hào)，一個(gè)光脈沖不得不包含一億個(gè)光子，所以這顆衛(wèi)星沒(méi)有實(shí)現(xiàn)量子保密通信，只是驗(yàn)證了一些相關(guān)的技術(shù)。對(duì)此事的詳細(xì)分析，可以參見(jiàn)我的文章《日本真的成功進(jìn)行超小型衛(wèi)星量子通信實(shí)驗(yàn)了嗎？》。這件事從反面表現(xiàn)出，探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步有多么重要。?
實(shí)際上，科學(xué)界在直接探測(cè)到引力波之前，就普遍相信引力波的存在，因?yàn)樗缇捅婚g接探測(cè)到了。1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，授予了拉塞爾 赫爾斯（Russell A. Hulse）和小約瑟夫 泰勒（Joseph H. Taylor Jr.），原因是他們?cè)?span lang="EN-US">1974年發(fā)現(xiàn)了一種新的脈沖星，這就是引力波的間接證據(jù)。?
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拉塞爾 赫爾斯和小約瑟夫 泰勒?
請(qǐng)注意，這兩人的成果不是發(fā)現(xiàn)脈沖星，而是發(fā)現(xiàn)一種新的脈沖星。脈沖星是一種發(fā)出周期性電磁脈沖的天體。由于它的周期很準(zhǔn)，最初人們把這種脈沖當(dāng)作外星人發(fā)來(lái)的信號(hào)，甚至還為外星人起了個(gè)名字“小綠人”。?
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小綠人?
發(fā)現(xiàn)脈沖星的，是劍橋大學(xué)教授安東尼 休伊什（Antony Hewish）和他的學(xué)生喬瑟琳 貝爾（Jocelyn Bell），時(shí)間是1967年。1974年，安東尼 休伊什獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。很遺憾，喬瑟琳 貝爾沒(méi)有獲獎(jiǎng)。諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)可能壓根沒(méi)注意到她的存在。這是諾貝爾獎(jiǎng)歷史上一個(gè)重大的缺憾。?
拉塞爾 赫爾斯和小約瑟夫 泰勒的新發(fā)現(xiàn)是，有一個(gè)脈沖星的周期在逐漸伸長(zhǎng)，說(shuō)明它的能量在逐漸損失。兩人對(duì)此的解釋是，這個(gè)體系其實(shí)是兩顆相互圍繞旋轉(zhuǎn)的脈沖星，它們?cè)谕ㄟ^(guò)引力波放出能量。觀測(cè)到的能量損失的速度，跟理論預(yù)測(cè)的完全相符，所以大家都公認(rèn)這是引力波存在的強(qiáng)有力證據(jù)，不過(guò)畢竟是間接證據(jù)。所以LIGO的成果，是第一次發(fā)現(xiàn)引力波存在的直接證據(jù)，是個(gè)“實(shí)錘”。?
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引力波存在的間接證據(jù)。右圖中的各個(gè)點(diǎn)是能量損失的觀測(cè)數(shù)據(jù)，曲線是理論預(yù)測(cè)，兩者吻合的程度驚人?
引力波的傳播速度跟電磁波一樣，都是光速。但引力波有一個(gè)特點(diǎn)跟電磁波非常不同，就是它很難被吸收，也就是說(shuō)很不容易衰減。在這個(gè)意義上，引力波可以傳遍整個(gè)宇宙。我們甚至有望聽(tīng)到“原初引力波”，它是138億年前作為宇宙開(kāi)端的大爆炸的余響。?
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電磁波與引力波的對(duì)比?
因此，引力波是一種全新的探測(cè)工具，通過(guò)它，我們可以對(duì)許多以前無(wú)法觀察的現(xiàn)象獲得了解。這可能給我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，帶來(lái)一場(chǎng)革命。未來(lái)15年，多個(gè)領(lǐng)域的引力波探測(cè)窗口將一個(gè)個(gè)打開(kāi)，我們將迎來(lái)一個(gè)引力波科學(xué)的黃金時(shí)代！?
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四個(gè)領(lǐng)域的引力波窗口將在未來(lái)15年內(nèi)開(kāi)啟?
原則上，引力波也可以作為一種發(fā)送信息的手段。在劉慈欣的小說(shuō)《三體》中，人類(lèi)就是通過(guò)引力波廣播的方式，把三體星的坐標(biāo)公布出去的。有趣的是，發(fā)射引力波的那艘飛船就叫做“萬(wàn)有引力號(hào)”。?
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《三體》中的頭號(hào)英雄章北海?
現(xiàn)場(chǎng)有觀眾提問(wèn)：引力波作為一種傳送信息的工具，效果怎么樣？?
基普 索恩的回答是：在發(fā)射方面，可以認(rèn)為引力波是一種很好的方法，因?yàn)樗梢詡鞅檎麄€(gè)宇宙。但是，在接收方面，引力波是一種非常糟糕的選擇，因?yàn)樘綔y(cè)它實(shí)在太困難了。因此，引力波會(huì)是你愿意采取的最后一種傳送信息的方法。如果不是別無(wú)選擇，你應(yīng)該是沒(méi)有理由用引力波來(lái)傳送信息的。?
我想，《三體》里受到三體人攻擊、要被趕到澳大利亞團(tuán)滅的地球人，就是到了這種別無(wú)選擇的時(shí)候吧！?
現(xiàn)場(chǎng)還有觀眾提問(wèn)：按照粒子物理的描述，引力是由引力子來(lái)傳遞的。我們已經(jīng)探測(cè)到了引力波這么微弱的信號(hào)，是不是也快探測(cè)到引力子了？?
回答是：理論分析表明，引力子的數(shù)量是如此巨大，以至于幾乎無(wú)法探測(cè)到單個(gè)的引力子。我的估計(jì)是，我們這一代看不到，你這一代看不到，你的下一代也看不到。?
在這些關(guān)于引力波的科學(xué)知識(shí)之外，三位諾貝爾獎(jiǎng)得主的人生感悟也給我留下了深刻的印象。?
基普 索恩是三人中唯一的理論家。1953年，他在13歲時(shí)，讀到了美籍俄裔物理學(xué)家、大爆炸理論的提出者之一喬治 伽莫夫（George Gamow）的科普著作《從一到無(wú)窮大》（One Two Three ... Infinity），從此立志投身科學(xué)。我也看過(guò)伽莫夫這本名著，也深受感動(dòng)，這確實(shí)是一部值得向所有人推薦的經(jīng)典著作。?
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基普 索恩被《從一到無(wú)窮大》感動(dòng)：煙雨，我平凡事，此生，我懷大志……（背景音樂(lè)：《一人飲酒醉》）
在加州理工學(xué)院上大學(xué)的時(shí)候（1958-1962），基普 索恩的感受并不像一般人想象的那樣輕松愉快，反而是感到許多同學(xué)都比自己聰明，壓力不小。用他的話說(shuō)，“我掙扎了一番”（I struggled）。?
基普 索恩的掙扎方法，是堅(jiān)持用自己的方式學(xué)習(xí)物理，理解物理。他寫(xiě)了很多筆記，用自己的方式證明定理，現(xiàn)場(chǎng)展示了幾條他當(dāng)年的筆記。最終，他的堅(jiān)持不懈得到了回報(bào)，他對(duì)這些物理問(wèn)題獲得了透徹的理解。雖然他的理解方式可能跟其他人不一樣，但他的記憶更長(zhǎng)久，更適合科研應(yīng)用。?
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我掙扎了一番?
從正常的觀點(diǎn)看來(lái)，基普 索恩是個(gè)“學(xué)霸”，但是他講的偏偏是這樣一個(gè)“勤能補(bǔ)拙”的故事。因此，我覺(jué)得我們對(duì)科學(xué)家的宣傳大可不必在“學(xué)霸”、“學(xué)神”方面著墨太多，這是把重點(diǎn)帶偏了，過(guò)多地強(qiáng)調(diào)天分，反而給普通人找到了不學(xué)習(xí)的借口。真正值得多宣傳的，是學(xué)習(xí)的精神和學(xué)習(xí)的方法。?
最早開(kāi)始探測(cè)引力波的，是美國(guó)物理學(xué)家約瑟夫 韋伯（Joseph Weber，1919-2000），從1960年代就開(kāi)始了。現(xiàn)在普遍認(rèn)為，他的技術(shù)路線精度不夠，不可能探測(cè)到引力波。但無(wú)論如何，大家都公認(rèn)他是這個(gè)領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)者。?
如果沒(méi)有他，根本就不會(huì)有人認(rèn)真對(duì)待這個(gè)想法。大家只會(huì)覺(jué)得引力波在理論上存在，探測(cè)不可能，然后就直接跳過(guò)了。只有約瑟夫 韋伯，用他的想象力、熱情以至于瘋狂，告訴大家探測(cè)引力波是在人力所及范圍內(nèi)的，激起了科學(xué)界對(duì)這個(gè)目標(biāo)的興趣。?
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約瑟夫 韋伯?
引力波探測(cè)到之后，LIGO的領(lǐng)導(dǎo)人都向約瑟夫 韋伯表達(dá)了敬意?！俺晒Σ槐卦谖遥αΡ夭惶凭琛?，約瑟夫 韋伯達(dá)到了這樣的境界！?
雷納 韋斯在職業(yè)生涯之初，就投身于引力波探測(cè)這個(gè)大坑，將此作為自己畢生的目標(biāo)。而基普 索恩卻不是這樣，在他剛開(kāi)始作教授時(shí)，是不相信人類(lèi)能夠探測(cè)到引力波的。?
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一開(kāi)始我是拒絕的?
為此，在1973-1975年間，他跟雷納 韋斯等人進(jìn)行了一番辯論，但結(jié)果卻是……他被說(shuō)服了！從此，他決心付出全部的努力，想盡一切辦法，和雷納 韋斯等人一起實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。?
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我被他們說(shuō)服了：我癡情紅顏，我心甘情愿，我千里把君尋……為了佳人回眸一笑，我立下這毒誓?。ū尘耙魳?lè)：《一人飲酒醉》）
經(jīng)過(guò)多年的奮斗，他們終于搭建了LIGO裝置。但科學(xué)家一般并不擅長(zhǎng)做管理，團(tuán)隊(duì)一大，管理就變得焦頭爛額，項(xiàng)目的進(jìn)度非常慢，中間還有一段時(shí)間失去了政府的資助。一個(gè)字：慘。幸好他們引進(jìn)了精通管理的巴里？巴里什，把這樣一個(gè)大型的國(guó)際合作項(xiàng)目整頓得井井有條，快速推進(jìn)。如果沒(méi)有巴里？巴里什，可能他們永遠(yuǎn)都不會(huì)成功。?
最初的LIGO由于分辨率不夠，沒(méi)有得到任何結(jié)果，以至于美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)只愿意再給他們一次“最后的機(jī)會(huì)”。但當(dāng)2015年9月系統(tǒng)升級(jí)之后，剛剛運(yùn)行了兩天，就探測(cè)到了引力波。幸福來(lái)得太突然，令他們自己都感到意外。這就像燒水，燒到99攝氏度都不開(kāi)，但再提高一度到100攝氏度，水就沸騰了。世上無(wú)難事，只要肯登攀！?
在LIGO團(tuán)隊(duì)中，還有一位重要的開(kāi)創(chuàng)者，英國(guó)物理學(xué)家羅納德 德雷弗（Ronald William Prest Drever）。令人遺憾的是，他在2017年3月7日去世，享年85歲。諾貝爾獎(jiǎng)不能頒給去世的人，羅納德 德雷弗可以說(shuō)是與諾貝爾獎(jiǎng)失之交臂。?
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1976-1978年，羅納德 德雷弗參與創(chuàng)建引力波實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)年大家都在青蔥歲月，現(xiàn)在已經(jīng)陰陽(yáng)相隔。送戰(zhàn)友，踏征程，默默無(wú)語(yǔ)兩眼淚，耳邊響起駝鈴聲……（背景音樂(lè)：《駝鈴》）
事實(shí)上，雷納 韋斯、巴里？巴里什和基普 索恩也分別是85歲、81歲和77歲高齡了。所以2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予這三人，可以理解為“搶救性頒獎(jiǎng)”。這樣三位老人家，仍然為了科學(xué)四處奔走，向各國(guó)人民傳播科學(xué)的知識(shí)與精神，真是令人敬佩！（當(dāng)然，出場(chǎng)費(fèi)也不會(huì)少……）?
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引力波大會(huì)圓桌會(huì)議，三位諾貝爾獎(jiǎng)得主演講之后回答觀眾的提問(wèn)。一點(diǎn)兒也不虛偽，受到了創(chuàng)傷不流淚，愛(ài)的路上不徘徊，像激流中的魚(yú)兒永遠(yuǎn)不氣餒，真叫人敬佩，真叫人敬佩，真叫人敬佩……（背景音樂(lè)：鄧麗君《你可知道我愛(ài)誰(shuí)》））
觀眾問(wèn)得最多的問(wèn)題之一，就是在長(zhǎng)達(dá)幾十年的艱苦工作中，你們有沒(méi)有想過(guò)得獎(jiǎng)？有沒(méi)有想過(guò)放棄？?
他們的回答，在科學(xué)工作者聽(tīng)來(lái)都是順理成章的，幾乎是必然的回答：得獎(jiǎng)從來(lái)都不是科學(xué)研究的原因。我們做這些研究，是因?yàn)閷?duì)研究本身的興趣，日常的研究工作都是樂(lè)趣的來(lái)源。如果不是這樣，沒(méi)有人能忍受幾十年的艱苦而且可能失敗的勞動(dòng)。?
著名的物理學(xué)家、1965年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者理查德 費(fèi)曼（Richard P. Feynman）長(zhǎng)期在加州理工學(xué)院擔(dān)任教授，基普 索恩當(dāng)年想必也聽(tīng)過(guò)他的課。費(fèi)曼講過(guò)這樣一個(gè)故事。有一家雜志來(lái)采訪他，一開(kāi)始雙方都聊得很開(kāi)心。最后雜志社提了個(gè)問(wèn)題：你能不能講講你生活中人性的那些方面？沒(méi)想到，這個(gè)問(wèn)題令費(fèi)曼勃然大怒：你的意思是，研究物理學(xué)就不是人性了？我認(rèn)為研究物理學(xué)很人性，跟旅行、打鼓或者任何其他的活動(dòng)同樣的人性！我非常人性地希望，你的雜志見(jiàn)鬼去吧！?
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理查德 費(fèi)曼?
這個(gè)故事反映了對(duì)科學(xué)的一種常見(jiàn)的誤解。費(fèi)曼的態(tài)度雖然比較沖動(dòng)，但話糙理不糙。在我看來(lái)，好奇心就是人類(lèi)的天性之一，對(duì)科學(xué)的追尋不但不違反人性，而且是人性中最可貴的一部分。?
在雷納 韋斯、巴里？巴里什和基普 索恩三人當(dāng)中，公眾名聲最大的大概是基普 索恩，因?yàn)樗沟俜?霍金（Stephen Hawking）是好朋友，許多人都在《時(shí)間簡(jiǎn)史》等著作中看到過(guò)他跟霍金就各種科學(xué)問(wèn)題打賭的故事。?
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斯蒂芬 霍金?
此外，基普 索恩還為電影《星際穿越》作過(guò)科學(xué)顧問(wèn)。不出所料，現(xiàn)場(chǎng)也有觀眾問(wèn)他關(guān)于這部電影的問(wèn)題。問(wèn)的是：按照《星際穿越》的啟示，通過(guò)進(jìn)入五維空間，是不是就可以時(shí)間旅行？?
這個(gè)問(wèn)題屬于腦洞大開(kāi)，基普 索恩的回答卻是中規(guī)中矩：其實(shí)，我們壓根不知道時(shí)間旅行有沒(méi)有可能。按照現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)理論，應(yīng)該是不可能的。我只是和霍金探討過(guò)，如果要使時(shí)間旅行成為可能，需要對(duì)理論做什么樣的修正。至于真實(shí)的宇宙是否滿足這樣的理論，還需要更多的實(shí)驗(yàn)，我們現(xiàn)在并不知道。?
雖然這個(gè)回答可能會(huì)讓提問(wèn)者掃興，但我覺(jué)得這個(gè)回答很負(fù)責(zé)任。在公眾面前，確實(shí)應(yīng)該這樣回答，讓他們知道科學(xué)家是怎樣思考的，知道科學(xué)家跟藝術(shù)家的區(qū)別。?
400年前，伽利略開(kāi)始用望遠(yuǎn)鏡仰望星空。兩年前，我們第一次直接觀測(cè)到了引力波。人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界的進(jìn)程，令人心潮澎湃。人只不過(guò)是一根蘆葦，是自然界最脆弱的東西，但他是一根會(huì)思想的蘆葦?？茖W(xué)的火種，在宗教、戰(zhàn)爭(zhēng)的威逼面前或許顯得弱小，但人類(lèi)一旦開(kāi)始科學(xué)的征途，就絕對(duì)不會(huì)停息。最終，科學(xué)會(huì)證明自身才是最強(qiáng)大的力量。?
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從400年前的伽利略到兩年前的LIGO?
如前所述，令基普 索恩決心投身科學(xué)的是喬治 伽莫夫的科普著作《從一到無(wú)窮大》。為了繼承伽莫夫的事業(yè)，他后來(lái)也寫(xiě)了一本科普著作《星際穿越中的科學(xué)》（The Science of Interstellar），希望把科學(xué)的火焰?zhèn)鬟f下去。?
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《星際穿越中的科學(xué)》?
這種精神，不也是我們的使命嗎？?
作者簡(jiǎn)介：袁嵐峰，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)博士，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室副研究員，科技與戰(zhàn)略風(fēng)云學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)，微博@中科大胡不歸，知乎@袁嵐峰。2017年12月18日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院邀請(qǐng)?jiān)瑣狗鍏⒓幽由除埖囊Σù髸?huì)，本文是作者參會(huì)后的回顧。?
致謝：感謝中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所張雙南研究員在科學(xué)方面的指教。?
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