褚君浩 苟利军 李醒民 张宏宝

编者按：

今年大年初四——2016年2月11日注定是不平凡的一天，当举国正沉浸于春节的喜庆祥和之时，一个轰动世界的科学新闻让传统的节日增加了一抹科技色彩，北京时间23点30分，美国国家自然科学基金会携加州理工、麻省理工和LIGO科学合作组织（LSC）的专家向全世界宣布：美国的LIGO（激光干涉引力波观测站）首次直接探测到了来自于距离地球13亿光年之外的两个黑洞合并过程中发射出的引力波信号，爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”被填补。

毫无疑问，引力波是基础科学的前沿话题，当我们被各种形式铺天盖地的引力波信息“洗脑”的时候，我们不禁要问，引力波是什么，广义相对论是什么，爱因斯坦和引力波有什么关系，引力波的发现对我们意味着什么？本刊特此邀请中科院上海技术物理研究所研究员、华东师范大学信息学院院长、中国科学院院士褚君浩，中国科学院国家天文台研究员、恒星级黑洞创新团组负责人、中国科学院大学教授苟利军，中国科学院大学教授李醒民，北京师范大学物理系助理教授张宏宝从科学与人文的视角为您解读，让我们走进引力波，让引力波不再神秘。

什么是引力波

褚君浩：

引力波是爱因斯坦广义相对论的结果，广义相对论是关于引力和时间、空间的理论。总的思想是把引力问题变成黎曼几何的空间弯曲问题，认为万有引力是由于质量产生的时空弯曲所致。这样，引力的作用被消掉，成为一个空间弯曲的概念。在他的场方程里有一个解，就是引力波解，引力波解是其中的一个结果。

其实，广义相对论有好多结果都已经被实验验证。第一个例子是水星近日点的进动。距离太阳最近的依次是水星、金星、地球，水星离太阳最近，走椭圆型轨道，并且椭圆轨道又以太阳为中心在转圈（进动），大概300万年转一圈。这是牛顿力学不能理解的水星轨道近日点的异常进动，在实验上已经验证。另一个例子是光谱线引力红移，同样原子的光谱线，在地球上是一个波长，但是从太阳上发出的同样原子的光谱线有一个红移，主要因为引力场使光子能量降低，发生红移，这一现象已在上世纪60年代由美国科学家证实。第三个例子，广义相对论还预言光线在通过强引力场附近时会发生弯曲，这一现象由爱丁顿于1919年证实。在日全食的时候，我们可以看到太阳轮廓边上从后面传来的星光有一个偏转，这个偏转就是因为太阳的引力对光线的作用，或者说由于太阳的引力引起空间弯曲。光线还是沿直线传播，但是如果光线在一个弯曲空间传播，就会有角度。这几个例子证明，广义相对论经过了天文观察的验证。

广义相对论另外一个非经典结果就是引力波，爱因斯坦和罗森研究了严格的非线性场方程的波动解，发现一个圆柱波解，就是引力波。实际上，光、无线电波、wifi都是电磁波，只要带电粒子加速运动都会发射出电磁波。同样，任何一个带质量物体，只要做加速运动，都会发出引力波。所以，这次观测到的13亿光年远处的两个黑洞从原来分开到互相吸引合并到一起的过程，一直在旋转，并且做加速运动，就会发出引力波，从遥远的地方经过13亿光年传到我们这里来。

引力波跟电磁波特点不同，电磁波是平面波，引力波是圆柱波，圆柱波是什么概念，比如横的方向压缩、纵的方向就拉伸；横的方向拉伸、纵的方向就压缩；就像一条蚯蚓在地上爬，爬一爬，缩一缩。所以圆柱波是一个方向膨胀一个方向收缩，不断往空间传，这就是非线性场方程的结果。但是引力波非常弱，一定要很大的质量，做加速运动，发出的引力波我们才能看到。

引力波能带来什么

苟利军：

对于“波”，我们并不陌生，生活中时常会听到无线电波、电磁波、声波、光波等等，引力波也是波的一种。

17世纪末的物理学家牛顿看到了下落的苹果，意识到物体之间普遍存在一种力，称之为“引力”，并且将其数学化，这就是我们熟知的万有引力。万有引力认识的精髓是物体质量的存在导致了引力，这在牛顿之后的200多年里被认为是宇宙间的绝对真理。直到1905年狭义相对论发表，1915年广义相对论发表，爱因斯坦提出了一种完全不同的对于引力的看法：引力是因为质量对于时空造成了变形所导致，而非质量之间的吸引。这就意味着，时空可被当做一种可以变形的介质来认识。所以引力波，简单来说，就是时空自身的波动。相比较我们熟知的无线电波（或者电磁波），它仅仅是在时空之中传播的，时空是它的媒介。

人们常说“星辰大海”，如果将时空视作海洋，那么天体就如同海洋生物一般。可以想象，如果大海中的某个生物摇了摇尾巴，或是晃了晃头，海水由此所产生的波动就会向外传播。与此类似，宇宙中某个天体的剧烈活动，会对所在的时空产生扰动，时空自身的波动也会向远处传播，如果足够强，就能够为地球上的我们所感知。

在引力世界中，我们的宇宙通常是平静的。可是在北京时间2015年9月14日17点50分45秒，地球上的LIGO探测器却探测到了来自于宇宙深处距离地球13亿光年之外的一场引力风暴，来自于一个双黑洞系统的合并，以它的探测日期命名为 GW150914。

褚君浩：

引力波的发现有什么用？第一，让人类认识宇宙增加了一个通道。本来看宇宙用的眼睛是光学望远镜，靠光传播信息，或者射电望远镜靠无线电波，不管是光还是别的，都是电磁波。所以，人类的手段就是电磁波和光，现在增加了引力波，可以收到从遥远天空传来的信息。除了电磁波人类可以接收之外，从今天起可以观测到从宇宙空间传来的引力波。所以，引力波为人类认识宇宙打开了一个新的通道。这是非常重要的意义。就像过去没有火，现在有了火；过去不认识光，现在认识光；过去不知道有无线电波，现在有无线电波。过去没有看到引力波，现在从理论和实验上都证明引力波存在，这是个重要通道。引力波这么难看到，能解决什么问题呢？震荡系统、双黑洞、双星系统、天体起源、暗物质等好多宇宙空间变化的问题都可以认识，所以意义重大。这只是一个开始，有了这个开始，以后可以研究，怎么让这个手段更加灵敏，就像观测望远镜，原来可以看多远，现在可以看更远，无线电设备的灵敏度也越来越高，所以引力波研究肯定还要发展，可以发展得更为灵敏，作为一个观测工具，可以更加有效。

另外一个非常重要的意义是，提供了物理上一个重要依据，可以研究引力、电磁力、强相互作用和弱相互作用之间的关联。目前，电磁力和引力是分开的两种力，麦克斯韦方程电磁波理论和爱因斯坦重力场广义相对论是分开的，现在通过引力波的观测多了一个手段，可以研究电磁力和引力在更深层次上有没有内在关系；研究实物和场的本源与联系等。将来进一步深入研究这样的问题，为我们探索宇宙的奥秘，提供了一种可能性，意义深远。

引力波这么弱，看也看不到，对我们日常生活会有什么影响？随着研究深入，逐步还是会引起一些变化的，就像电磁波刚被发现时是不知道有什么用的。所以，首先要把问题认识清楚，比如引力波的规律是什么样？它的发生、传播、探测的规律如何，怎么转化，跟其他物质运动间的转化关系怎么样？那样应用问题就会体现出来。就像电磁波被研究清楚以后，应用越来越广泛，最初只是电报和电话的应用，没想到现在会有这么多的重要应用。所以，对引力波的认识也是，研究到一定深度以后，会对我们人类有一定的用处，会促进我们人类的科技发展更快一些。尤其是对外太空的更深层次认识，会有一些颠覆性的发现，这是一个新的起点。

爱因斯坦与引力波

苟利军：

毫无疑问引力波是对广义相对论的一个最直接验证。另外，它在弱场中已经得到验证，但是对于强引力之下的验证，之前却从来没有验证过。所以此次的观测，是对广义相对论的一个非常好的检验。

引力波以光速传播，它与物质的相互作用非常非常的弱，所以引力波可以提供给我们宇宙几乎无阻挡的图景，而这几乎是无法利用我们熟知的电磁波来达到。比如，利用引力波，我们可以看到宇宙的最早期，宇宙大爆炸之后的1.0E-36秒开始的宇宙形成过程，而对于电磁波，它最早只能看到大爆炸后的大约300， 000年之后的宇宙历史，在此之前，电磁波是不能给我们提供的。所以引力波是我们了解宇宙形成的最好工具。

如果还记得，在《星际穿越》电影中的结尾之时，主人公库珀身处一个5维时空的超体方体中，为了将从黑洞中心所提取的信息传递给身处4维时空的女儿墨菲，人为的制造引力波效应，成功将信息传递，从而人类得以解救。引力波从目前物理学家的认识看，是唯一一种可以在不同维度传播的波。不同宇宙之间的碰撞，会产生引力波。说不定在不远的将来，我们也可以依靠引力波来判断多重宇宙的存在与否。

一个天生的聋哑人，一直在听别人说声音的存在，突然有一天听力恢复了。我想我们此刻的心情也是差不多如此。引力波给我们打开了一扇全新的窗口。引力波是一种方式，是一种看待世界的方式。历史发现的轨迹告诉我们，每一扇新的窗口被打开，都会有令人称奇的发现。虽然LIGO的探测能力还是有限，一旦引力波的世界被撬开一道小的裂缝，让我们看到春天的种子，相信硕果累累的引力波丰收季节也不会太远。

张宏宝：

直接探测到引力波自然是爱因斯坦广义相对论这一理性杰作的又一胜利。过去，我们主要是通过电磁波来观察这个神奇的世界，过去的天文学，不妨可以称作电磁波天文学。各类天文望远镜可以看作是对人眼的自然延伸，都是通过远处传来的光观测。所不同的是，人眼只对红橙黄绿蓝靛紫的可见光敏感，而天文望远镜可以覆盖电磁波全波段，从较长的射电波段一直到很短的伽马射线（都是电磁波，只是波长长短不一样而已。根据量子力学，光波也是粒子，即光子，波长长的对应的能量低，而波长短的对应的能量高。X射线波长较短，能量较高，所以没事别太多去拍片，让这些高能光子把你身体的细胞结构给轰炸坏了）。尽管如此，天文学在过去因为光业已取得了无数发现，而且将会继续引领我们奔向远方。

旧的时代依然在继续，而因为引力波，新的时代正在徐步向我们走来。有了引力波，我们便又多了一个触角。特别是，我们可以利用这个探针，触及到电磁波不能触及到的宇宙深处。从而使我们可以飞到时间的起点，彻底揭开宇宙起源之谜。这天文学的新时代即引力波天文学。建造引力波天文望远镜不仅能使我们探测到引力波以体验爱因斯坦广义相对论的美丽和真实，更能使我们触及电磁波天文望远镜所望尘莫及的宇宙深处，进而揭开上帝最后一层面纱（因为引力很弱，所以引力波很难被激发产生，也很难被观测；但另一方面，因为引力很弱，引力波从波源到我们地球的旅程中，几乎不受沿途风景的引诱，而甘愿作一个孤独的行者，一往无前，把波源处的讯息无污染地携带过来）。

李醒民：

继爱因斯坦在其“幸运年”1905年接连发表3篇划时代的论文（光量子论、布朗运动理论和狭义相对论）之后，他一鼓作气，冲破重重困难和阻碍，终于在10年之后的1915年构建起广义相对论的宏伟大厦。当时，爱因斯坦曾经提出对该理论的三个检验：内行星轨道近日点的进动，太阳引起的星光偏折，光谱线的引力红移。关于第一项，爱因斯坦在1915年和1916年的论文中对此已经做出完满的解释，使长期困扰科学家的疑团焕然冰释。关于第二项，爱丁顿在1919年通过对在巴西的索布拉尔和几内亚湾的普林西比岛观测数据的处理，证实在日全食时经过太阳附近的星光的偏折值与爱因斯坦的预言相当符合。关于第三项，亚当斯在1924年通过对天狼星伴星的观察，确认它发出的光线向谱线的红端移动。

不仅如此，广义相对论引力方程的近似积分方法也导致以光速传播的引力波的存在，为此爱因斯坦专门撰文，考察了“由力学体系发射的引力波”和“引力波对力学体系的作用”。根据广义相对论，在宇宙中，在非球对称的物质分布情况下，在诸如致密星碰撞或并合的物理过程中，就会扰动和扭曲周围时空，并以引力波形式向外传播。起初，引力波只是爱因斯坦广义相对论的一个推论或思想构想，而非真实的实验观察。由于引力波十分微弱，科学家长时间苦苦寻觅，依然一无所得，真可谓“上穷碧落下黄泉，两处茫茫皆不见”。为此，一些科学家甚至质疑是否真的有引力波。在1960年前后，引力波的物理意义开始明朗：它可以被看做是引力相互作用的传播，并且携带着引力能。直到1974年，泰勒和赫尔斯发现银河中一对中子星的轨道慢慢缩小，幅度符合引力波能量流失的速率，从而间接证明了引力波的存在。由于这项研究，两位科学家赢得1993年诺贝尔物理学奖。而这次探测到的引力波，则是13亿光年之外的两颗黑洞（初始质量分别为29颗太阳和36颗太阳）在合并的最后阶段产生的，其亏损的质量以引力波形式释放到宇宙空间，经过13亿光年的漫长旅行，终于抵达地球。从此，黑洞不再是科幻作品中的神奇事物，我们实实在在地观察到黑洞附近空时的高度扭曲和脉动。

引力波探测的成功，是科学界的一个重要里程碑。它不仅填补了广义相对论实验验证中最后一块缺失的拼图，使现代物理学的根基更加坚实，而且也意味着科学家打开了揭示宇宙奥秘的窗口，有助于了解宇宙的起源和演化机制，据称将引发一场天文学的革命。它还可能促进引力量子化的研究，最终把引力融入其它三种基本相互作用，完成爱因斯坦统一场论的宏大梦想。难怪一位物理学家如此形容自己闻知探测结果的激动之情：“堂堂男子汉很少哭，当时心中忽然暖流涌动，但还是强忍未哭。那是一种强烈的感动，感动得不哭不足以宣泄情感。整个新闻发布会上，我一直强忍着。”

爱因斯坦不愧是20世纪最伟大的科学天才，他居然在某种程度上能够先知先觉百年后的事变。说实在的，按照诺贝尔奖的评价标准，爱因斯坦的科学成果完全可以赢得十余次科学奖，例如光量子论、光电效应定律、布朗运动理论、狭义相对论、质能关系式、固体比热量子论、受激辐射理论、玻色-爱因斯坦统计、广义相对论、引力波、宇宙学、统一场论等。其中前5项成果，均发表于爱因斯坦的“幸运年”，当时他年仅26岁。其中，广义相对论（它把牛顿引力理论和狭义相对论囊括其中）这座理论大厦最为美轮美奂。诚如玻恩所说：“对于广义相对论的提出，我过去和现在都认为是人类认识大自然的最伟大的成果，它把哲学的深奥、物理学的直观和数学的技艺令人惊叹地结合在一起。”我本人曾经这样评论相对论的宏伟体系：“相对论犹如一座琼楼玉宇，其外部结构之华美雅致，其内藏观念之珍美新奇，都是无与伦比的。相对论的逻辑前提是两条在逻辑上再简单不过的原理，它们却像厄瑞克泰翁庙的优美的女像柱一样，支撑着内涵丰盈的庞大理论体系而毫无重压之感。其建筑风格是高度对称的，从基石到顶盖莫不如此。四维时空连续统显示出精确的贯穿始终的对称性原理，也蕴涵着从日常经验来看决不是显而易见的不变性或协变性。空时对称性规定着其他的对称性：电荷和电流、电场和磁场、能量和动量等的对称性。正如外尔所言，整个相对论只不过是对称的另一个方面；四维连续统的对称性（不变性）、相对性或齐性首次被爱因斯坦描述出来，相对论处理的正是四维空时连续统的固有对称。在这样高度对称的琼楼玉宇中，又陈放着诸多奇异的观念——四维世界、弯曲时空、广义协变、尺缩钟慢等——从而通过均衡中的奇异显示出更为卓著的美！”我觉得，相对论的物理意义迄今并未被透彻认识，其中蕴含的宝藏并未被完全发掘，它期待科学家进一步的拓展和深化。