這個(gè)照片的道具就是德國的類似LIGO的引力波探測器的外筒

文 | 張雙南（中國科學(xué)院高能物理研究所研究員）

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人類探索宇宙的第五個(gè)里程碑

2016年2月11號(hào)，LIGO宣布探測到了兩個(gè)黑洞并合產(chǎn)生的引力波，如果最后得到驗(yàn)證，這就是人類探索宇宙的第五個(gè)里程碑！前四個(gè)里程碑分別是：

（1）400年前伽利略發(fā)明了光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，使得人類的視野得到大大擴(kuò)展；

（2）上世紀(jì)30年代楊斯基發(fā)現(xiàn)了銀河系的射電輻射，使得人類首次能夠在可見光波段以外探索宇宙；

（3）上世紀(jì)60-70年代賈克尼使用火箭和衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)了太陽系外的第一批X射線源，使得人類首次能夠在地球大氣層以外探索宇宙；

（4）上世紀(jì)80年代末戴維斯和小柴昌俊發(fā)現(xiàn)了來自超新星爆發(fā)的中微子信號(hào)，使得人類首次能夠利用電磁波以外的信號(hào)探索宇宙。

和前幾次不同的是，這一次是人類首次利用一種從來沒有被直接探測到的信號(hào)——愛因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言的引力波——探索宇宙，因此這個(gè)里程碑的意義就尤為特殊，不但驗(yàn)證了廣義相對(duì)論的一個(gè)關(guān)鍵預(yù)言，而且驗(yàn)證了這種探測引力波的原理和技術(shù)是正確的，還順便首次發(fā)現(xiàn)了宇宙中的確存在恒星級(jí)質(zhì)量的雙黑洞系統(tǒng)，表明打開探索宇宙的這一扇窗口必定會(huì)給物理學(xué)和天文學(xué)帶來更多的驚喜和豐碩的成果。

充滿詩意地寫、寫、寫

作為科學(xué)共同體的一員，我理所當(dāng)然地很關(guān)心引力波探測和這次的LIGO事件。但是由于我本人并沒有怎么做引力波的研究，所以就婉拒了所有媒體的邀請(qǐng)撰文解讀這件事。

我知道有很多朋友們會(huì)寫得比我好得多，我寫了也是丟人現(xiàn)眼，說不定還會(huì)出一些偽科學(xué)民科的事故！果然這兩天我的朋友圈就被一波又一波的精彩繽紛的文章刷屏了，從專業(yè)評(píng)論、到科普解讀、到個(gè)人故事、到娛樂調(diào)侃，應(yīng)有盡有。

謝謝朋友們，好險(xiǎn)哪！

當(dāng)然我也不會(huì)不寫，只是想自由自在地沒有壓力地沒有命題地天馬行空地天真浪漫地充滿詩意地寫、寫、寫！

我昨天（2月11號(hào)）早晨發(fā)到朋友圈的“引力波和糾纏態(tài)”里面寫道：“北京時(shí)間今晚23:30LIGO引力波天文臺(tái)將要發(fā)布新聞，據(jù)說是要宣布探測到了引力波信號(hào)。沒想到我的猴年愿望這么快就要實(shí)現(xiàn)了，就用以下幾段順口溜應(yīng)一下景?！逼渲星皟蓚€(gè)順口溜的確和引力波有關(guān)，摘錄如下：

引力波和糾纏態(tài)

那些年當(dāng)我還在遠(yuǎn)方流浪

你的倩影從宇宙深處飄來

也許是愛因斯坦的引力波

在我的心田里一直在蕩漾

這些年當(dāng)我悠悠到了故鄉(xiāng)

你的柔聲一直回響我耳邊

也許是量子力學(xué)的糾纏態(tài)

在我的周圍都是你的氣場

這些天當(dāng)我看到你的模樣

你的引力波終于被探測到

也許是波函數(shù)還沒有塌縮

我們一起激發(fā)了那道光芒

我們幸福地并合

不是你的錯(cuò)也不是我的錯(cuò)，

錯(cuò)在世界上不只有你和我！

因此你和我不禁將錯(cuò)就錯(cuò)，

我們就假裝那只有你和我！

我們相互吸引跳起雙人舞，

這時(shí)候宇宙中就只有你我！

靠得越來越近發(fā)出引力波，

最終我們幸福地永遠(yuǎn)并合！

廣義相對(duì)論是否有缺陷？

我在最近的多個(gè)公眾報(bào)告里面提到搜尋引力波的重要性。因?yàn)楦鶕?jù)我的美學(xué)理論——廣義美的判斷標(biāo)準(zhǔn)就是“沒缺陷不常見”，廣義相對(duì)論理論是最美的科學(xué)理論，首先廣義相對(duì)論的建立就是為了彌補(bǔ)牛頓理論的兩個(gè)缺陷，然后廣義相對(duì)論給我們帶來了很多的不常見。從“沒缺陷不常見=美”的角度，我認(rèn)為現(xiàn)在還沒有科學(xué)理論超出廣義相對(duì)論（也許和量子力學(xué)并駕齊驅(qū)）。

但是同樣根據(jù)我的美學(xué)理論，“沒缺陷不常見”總是相對(duì)的，因此沒有最美只有更美，對(duì)更美的追求就是社會(huì)和科技發(fā)展的基本動(dòng)力。因此要追求更美的科學(xué)理論，就必須盡可能地發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有理論的缺陷，通過彌補(bǔ)已有的缺陷發(fā)現(xiàn)新的不常見來發(fā)現(xiàn)更美的科學(xué)理論。

盡管目前為止尚未發(fā)現(xiàn)任何違反廣義相對(duì)論理論的實(shí)驗(yàn)或者觀測事實(shí)，但是廣義相對(duì)論的一個(gè)可能缺陷，就是其預(yù)言的引力波一直未被直接探測到。的確，目前觀測到的多個(gè)脈沖星（中子星）雙星系統(tǒng)的軌道衰減完全符合廣義相對(duì)論預(yù)言的引力波的輻射，但是沒有直接探測器引力波信號(hào)也讓人多少有點(diǎn)擔(dān)心引力波的輻射是否真的和廣義相對(duì)論預(yù)言的一樣？

一瓶茅臺(tái)的賭

2016年1月16號(hào)“北京聽道”演講之前，《知識(shí)分子》要我說一下新年的愿望，我說，希望猴年（沒說馬月）能夠看到引力波被直接探測到（見《知識(shí)分子》：“你收到一份科學(xué)家的猴年告白｜視頻”，回復(fù)“148”查看）。

2月6號(hào)早晨又收到了哈佛大學(xué)蘇萌發(fā)來的電子郵件，透露的信息和昨天（2月11號(hào)）公布的引力波探測信息一模一樣，劇透的相當(dāng)徹底。于是我把每年必寫的拜年信的題目改成了“我的猴年愿望沒有馬月，祝福您猴年也心想事成！”

拜年信里面有這一段：“雖然很多人說這事不太靠譜，得等到猴年馬月才能探測到引力波，我卻信心滿滿地去掉了馬月保留了猴年！(悄悄地說：不過下一個(gè)引力波事例恐怕真的得等猴年馬月了，和SN1987A超新星中微子類似，雖然諾獎(jiǎng)已經(jīng)給了，大家還在苦苦地等待下一次，再一次印證了沒缺陷不常見才是美！）”

上面的“不過下一個(gè)引力波事例恐怕真的得等猴年馬月了”這句話，我的好朋友王力帆教授不同意，他認(rèn)為后面噼里啪啦地就會(huì)來一批。于是我提議打一個(gè)賭：我賭猴年只會(huì)正式公布這一例引力波探測事件，賭注是一瓶茅臺(tái)。王力帆應(yīng)戰(zhàn)，國家天文臺(tái)薛隨建副臺(tái)長支持王力帆，但是也以科學(xué)的精神表示靜等結(jié)果！

天文學(xué)歷史上前所未有的錯(cuò)誤？

其實(shí)我和引力波探測也不是一點(diǎn)緣分都沒有。首先引力波探測界有不少我的朋友，我自己還是中國科學(xué)院空間引力波探測工作組成員之一。

但是我和引力波探測最有意思的一次接觸則是多年前我到Caltech（就是LIGO的奠基和牽頭大學(xué)）參加他們新校長就職典禮順訪的時(shí)候發(fā)生的。

當(dāng)時(shí)美國正在做十年天文規(guī)劃，而空間引力波探測項(xiàng)目LISA和X射線空間天文臺(tái)Constellation-X處于激烈的競爭。我雖然已經(jīng)回國，但是我在美國的很多X射線天文的同行還指望Constellation-X立項(xiàng)，所以我是堅(jiān)定的Constellation-X支持者。

我以前的一個(gè)同行Caltech的教授Tom Prince，當(dāng)時(shí)是LISA的項(xiàng)目科學(xué)家，我約好了見他。進(jìn)他辦公室他的第一句話就是，我們現(xiàn)在不在同一個(gè)領(lǐng)域了，你不會(huì)只是來看我吧？我說當(dāng)然不是，我是來和你討論引力波探測的話。我把門關(guān)上說，我下面要說的話我從來沒有對(duì)任何人說過，以后也不會(huì)公開說：我不認(rèn)同LISA的計(jì)劃，甚至我認(rèn)為LISA項(xiàng)目犯了天文學(xué)歷史上前所未有的錯(cuò)誤！（我用的是“unprecedented mistake in the history of astronomy'）。

Tom立刻張大了嘴，一副缺氧的樣子。緩了一會(huì)兒說，我知道你的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)不但犀利而且經(jīng)常離經(jīng)叛道，但是你對(duì)LISA的這個(gè)批評(píng)卻是我聽到的最嚴(yán)重的批評(píng)，道理何在？

我說，我們天文學(xué)的歷來做法就是：為了探測某一種天文信號(hào)（比如X射線），首先造一個(gè)儀器在實(shí)驗(yàn)室里驗(yàn)證這個(gè)儀器的確能夠探測到這種信號(hào)，然后做一臺(tái)小的天文儀器先探測到一點(diǎn)天文信號(hào)，哪怕是一個(gè)X射線光子，然后再逐漸造大的，能力逐漸加強(qiáng)。而LISA計(jì)劃就是一步登天，耗資10億甚至幾十億美元，為什么不能先造一個(gè)小的LISA，看到一個(gè)引力波源之后再造大的？

他回答說，你說的沒錯(cuò)，但是我們也有苦衷啊，接著他說了一堆為什么他們沒有采取我說的天文學(xué)的常規(guī)做法、而是直接上大家伙的理由。當(dāng)然后來的故事我們都知道了，由于LISA耗資巨大，而且缺乏前面的技術(shù)驗(yàn)證，美國NASA取消了這個(gè)項(xiàng)目。歐洲的ESA正在艱難地推動(dòng)這個(gè)項(xiàng)目，最樂觀估計(jì)也得十幾到二十年之后才能發(fā)射運(yùn)行了。目前中國正在和ESA討論如何介入加快LISA項(xiàng)目的可能性。

他隨后說，地面引力波探測LIGO等項(xiàng)目符合你說的發(fā)展路線，他們就是一步步地驗(yàn)證探測器原理，一步步地?cái)U(kuò)大規(guī)模提高精度，如果你們感興趣引力波探測，應(yīng)該考慮加入LIGO等項(xiàng)目。

今天LIGO的成功的確不是偶然的，我覺得是遵循科學(xué)研究規(guī)律的必然結(jié)果。

這幫家伙真能自娛自樂

從上世紀(jì)70年代開始可行性研究，到90年代正式立項(xiàng)，中間經(jīng)歷過多次的升級(jí)改造，一直到這次的GW150914事例，幾十年的歷程，幾代人的努力，大部分人在整個(gè)職業(yè)生涯都沒有像樣的論文，而且也沒有指望在自己的職業(yè)生涯能夠親自體驗(yàn)到最后的成功，而且即使成功了，自己也是上千個(gè)作者中的一位，除非名字以A或者Z開頭，自己的名字被別人認(rèn)出來是相當(dāng)困難的事情。

在這種情況下，除了要大贊人家的資助部門在沒有成果的情況下持續(xù)支持了這個(gè)領(lǐng)域和項(xiàng)目幾十年，我也很奇怪幾十年來這個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)家怎么能夠生存下來而且還發(fā)展起來？我曾經(jīng)把這個(gè)問題拋給過我認(rèn)識(shí)的在這個(gè)領(lǐng)域的多個(gè)朋友們，當(dāng)然答案是各種各樣的，有不少回答說，也就是一份工作啊，只要兢兢業(yè)業(yè)做了就行啊，有的說反正也就是過渡一下啊，找到更好的工作就走了啊。

但是還真的有不少人就是要這份冒險(xiǎn)，想成為“第一團(tuán)隊(duì)”的一員，盡管是千分之一的一員。但是畢竟要顯示出這個(gè)領(lǐng)域的活力，畢竟要吸引年輕人入行，于是就經(jīng)常湊起來寫大型的綜述文章（盡管不知道猴年馬月才能真的看到引力波），文章的作者名單一律是無窮長。比如我就應(yīng)邀擔(dān)任過eLISA項(xiàng)目綜述文章的編輯，由于這個(gè)領(lǐng)域幾乎所有的人都在作者名單上，我折騰了幾個(gè)月才找到了一個(gè)審稿人，又花了幾個(gè)月才審?fù)炅宋恼隆?/p>

同樣，這個(gè)領(lǐng)域的會(huì)議也特別多，我偶爾也會(huì)去湊熱鬧，每次看到他們自娛自樂地說各種可能性各種美好的愿望各種美好的前途，都不禁覺得難道我是混進(jìn)了精神病院？

GW150914就是美猴王

但是這個(gè)LIGO事例比他們精心描繪的所有最好的結(jié)果都更好！天才和精神病患者有時(shí)候是真的不好區(qū)分。

毫無疑問，這個(gè)LIGO事例又一次驗(yàn)證了廣義相對(duì)論的沒缺陷，而恰好在愛因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論100周年的時(shí)候看到這個(gè)極端不常見的引力波事件（第一個(gè)恒星級(jí)質(zhì)量黑洞雙星），又一次說明不但廣義相對(duì)論繼續(xù)領(lǐng)跑最美的科學(xué)理論，LIGO探測到的這個(gè)GW150914引力波事例也是猴年最美的科學(xué)成果，堪稱“美猴王”。

何時(shí)拿諾獎(jiǎng)？

很顯然LIGO探測到的這個(gè)GW150914引力波事例是諾獎(jiǎng)級(jí)的成果，因?yàn)榭茖W(xué)界早就有共識(shí)，第一次直接探測到引力波應(yīng)該獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但是我傾向于認(rèn)為，如果引力波探測的結(jié)果僅僅是這個(gè)工作，要拿到諾獎(jiǎng)恐怕不易！

原因在于，需要有獨(dú)立的結(jié)果或者方法檢驗(yàn)或者驗(yàn)證這個(gè)結(jié)果，或者這個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)新的、但是不同的引力波事例。

我前面已經(jīng)說了，我不認(rèn)為這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚝芸斓匕l(fā)現(xiàn)更多的其它類型的引力波事例，原因在于他們看到的恒星級(jí)質(zhì)量雙黑洞并合事例應(yīng)該是非常稀有的，但是恰好這類事例的引力波信號(hào)比較強(qiáng)，所以他們看到了。其它類型的引力波事例肯定多得多，但是信號(hào)弱，現(xiàn)有的儀器可能看不到。

即使由于我們不理解的原因（這很可能，畢竟絕大部分突破性的科學(xué)發(fā)現(xiàn)都是預(yù)料之外的），恒星級(jí)質(zhì)量雙黑洞并合事例很多，但是天文界的一個(gè)傳統(tǒng)就是：需要找到其它的信號(hào)獨(dú)立驗(yàn)證，比如電磁波信號(hào)。

目前尚未看到這個(gè)事件的電磁波對(duì)應(yīng)體的明確證據(jù)（盡管有微弱證據(jù)表明可能看到了和這個(gè)事例對(duì)應(yīng)的伽瑪射線暴），說明找到這種事件的電磁波對(duì)應(yīng)體可能會(huì)比較艱難。關(guān)于這件事，我和幾個(gè)同事們今天在朋友圈里面有過一段激烈的討論。

事實(shí)上，我們?cè)?jīng)寫過文章預(yù)言這種雙黑洞并合不會(huì)產(chǎn)生電磁波輻射【參考文獻(xiàn)1】，這是文章里面的一段話：“Therefore with full and self-consistent general relativity calculation, we find that the in-falling matter will not accumulate outside the event horizon, and thus the quantum radiation and Gamma Ray bursts predicted in [2] and [3] are not likely to be generated. We predict that only gravitational wave radiation can be produced in the final stage of the merging process of two coalescing black holes. Future simultaneous observations by X-ray telescopes and gravitational wave telescopes shall be able to verify our prediction.” （因此，利用完整和自洽的廣義相對(duì)論計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)下落物質(zhì)不會(huì)堆積在黑洞的事件視界外面，因此以前預(yù)言的量子輻射和伽瑪射線暴【參考文獻(xiàn)2，3】不太可能產(chǎn)生。我們預(yù)言兩個(gè)黑洞并合只能產(chǎn)生引力波但是不會(huì)產(chǎn)生其它信號(hào)。未來同時(shí)的X射線和引力波探測將能夠驗(yàn)證我們的預(yù)言。）

那么，如何才能驗(yàn)證LIGO的結(jié)果使得他們能夠盡快獲得諾貝爾獎(jiǎng)呢？這是我們現(xiàn)在開始認(rèn)真考慮的問題。我相信很快我們就會(huì)看到各種各樣的建議、方案和理論模型。

探測引力波有什么用？

盡管我婉拒為媒體寫文章，還是擋不住有不少人問我，探測引力波有什么用？

這樣的問題我其實(shí)經(jīng)常遇到，以后一律采用我前一段在《知識(shí)分子》上的一篇文章“從普京發(fā)問談起，到底什么是科學(xué)？”（回復(fù)“171”查看）里面的開場白回答：

俄羅斯在和德國聯(lián)合研制一個(gè)以暗能量為主要研究目標(biāo)的空間 X 射線天文衛(wèi)星。幾年前(當(dāng)時(shí)暗能量的研究剛剛興起)，時(shí)任俄羅斯總理的普京在聽取了關(guān)于這個(gè)項(xiàng)目的介紹后，問了兩個(gè)問題：“暗能量有用嗎？暗能量危險(xiǎn)嗎？”當(dāng)時(shí)一個(gè)科學(xué)家是這么回答的：“我不知道。不過在100年前，如果你問愛因斯坦相對(duì)論是有用還是危險(xiǎn)，愛因斯坦一定回答不知道。但是今天我們知道相對(duì)論既有用，也危險(xiǎn)?！爆F(xiàn)在，核能、診斷和治療癌癥的加速器、GPS等等都離不開相對(duì)論的應(yīng)用，但核武器也同樣是相對(duì)論的應(yīng)用！

張雙南

2016年2月12日猴年大年初五于北京家中

參考文獻(xiàn)

【1】Y. Liu（劉元）, S. N. Zhang （張雙南）, Physics Letter B, 679 (2009) 88–94

【2】T. Vachaspati, D. Stojkovic, L.M. Krauss, Phys. Rev. D 76 (2007) 024005.

【3】 T. Vachaspati, arXiv:0706.1203v1, 2007.

（責(zé)任編輯 鄧志英）

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