等侯了100年的艷遇——從引力波測量獲得諾貝爾物理學獎說開去

各位老師，大家好，這裡是格致教育工作坊，歡迎大家的到來，穿越時空，來享受一碟知識的小菜，讓我們一起天天學習，好好向上！今天，我們來聊的話題是引力波，我擬了這麼個題目，叫做——等侯了100年的艷遇，副標題是「從引力波測量獲得諾貝爾物理學獎說開去」。在正式談引力波之前，我們先要談一個人——愛因斯坦。

我們前一段時間花了六天的時間詳細地介紹過愛因斯坦，但是沒有介紹愛因斯坦的引力波。1922年11月13日，愛因斯坦來到了中國的上海，在外灘碼頭上登陸，這時候，中國駐瑞典大使輕輕地對愛因斯坦說了這麼一句話，祝賀你，你久久盼望的諾貝爾獎已經授給了你。他愛因斯坦獲得了1921年度諾貝爾物理學獎。但這個諾貝爾物理學獎，瑞典皇家科學院只是考慮到他對「理論物理，特別是光電效應定律」的工作，而沒有考慮他的「相對論與引力理論在未來得到證實之後的價值」，好像愛因斯坦獲獎跟相對論和引力理論毫無關係。

整整95年後，2017年11月12日，上海交通大學有一位叫做施郁的教授站在建投書局·上海浦江店的「JIC講堂」上，給我們講了這一段往事，他當時用手指那個窗外，對著黃浦江外面說「當年，愛因斯坦就站在那裡，向我們走來」。此時，距離愛因斯坦建立廣義相對論並以此預言引力波將會出現，其實已經過了整整100年，引力波剛剛被證實存在，它的發現者就斬獲了2017年諾貝爾物理學獎。百年光影在那一霎，交匯重生。

早在1907年，愛因斯坦的廣義相對論告訴我們：在非球對稱的物質分布情況下，物質運動，或物質體系的質量分布發生變化時，會產生引力波。在宇宙中，有時就會出現如緻密星體碰撞合併這樣極其劇烈的天體物理過程。在這個過程中大質量天體劇烈運動擾動著周圍的時空，扭曲時空的波動也在這個過程中以光速向外傳播出去。因此引力波的本質實際上就是時空曲率的波動，也可以唯美地稱之為「時空的漣漪」。

在北京時間2015年9月14日17點50分45秒，在位於美國路易斯安那州的利文斯頓和華盛頓州的漢福德的兩個引力波探測器，這個引力波探測器又稱之為激光干涉儀，引力波天文台（以下簡稱LIGO）都同時觀測到了一次置信度高達5.1倍標準差的引力波事件：GW150914。根據LIGO的數據，這個引力波事件發生於距離地球十幾億光年之外的一個遙遠星系中。分別是兩個36和29太陽質量的黑洞，併合為62太陽質量黑洞。大家就有可能在想，36加29應該是65，怎麼只剩62呢？在太陽這兩個雙黑洞合併的時候，最後時刻有一部分質量變成了引力波發射出來了，這個引力波的峰值強度比整個可觀測宇宙的電磁波的輻射強度還要高十倍以上。當然，詳細結果也發表於物理評論快報。這項非凡的發現標誌著天文學已經進入新的時代，人類從此打開了一扇觀測宇宙的全新窗口。

那麼我們就從2017年諾貝爾物理學獎開始談，最近引力波又再次掀起熱潮，其原因就在2017年諾貝爾物理學獎授予了「為激光干涉引力波天文台（LIGO）以及引力波的觀測做出決定性貢獻」的三位科學家：雷納?韋斯、巴里?巴里什和基普?索恩。

但除了這三位獲獎者外，還有一位科學家羅納德·德雷弗對LIGO的穩定性也作出過重要貢獻，不幸的是，德雷弗幾年前得了一種老年痴呆，並於2017年3月去世。因為諾貝爾獎只頒給在世者，所以他就無緣獲得諾貝爾獎。

那麼為什麼一探測到引力波就能立刻獲得諾貝爾物理獎呢？我們之前在講愛因斯坦的時候就講，要獲得諾貝爾獎，有這麼幾個特點，當然第一個，你的貢獻要大，第二個就是你活的壽命要長，你看愛因斯坦提出相對論的時候，他是1905年提出的相對論，1915就提出了廣義相對論，並且在1919年廣義相對論獲得了驗證，但是他最後直到1922年才獲得了諾貝爾獎，而且獲得的是1921年的獎。那麼為什麼一探測到引力波就能夠獲得諾貝爾物理學獎呢，為什麼會這麼快呢？接下來，我們就慢慢地來說。

首先我們來談一談，從牛頓到愛因斯坦這個時空觀的演變過程。

早在三百多年前，英國牛人艾薩克?牛頓就說，任何兩個有質量的物體之間都存在著一種引力，這種引力就叫做萬有引力，而且這個引力是瞬時間的，也就說，物體之間引力的傳遞不需要時間。

為此，牛頓就解釋了為什麼地球圍繞太陽轉，為什麼樹上的蘋果會落地。牛頓的力學就代表了絕對時間和絕對空間的觀點，時間和空間獨立，與物質無關，時間和空間只是萬物的舞台。於是那個萊布尼茲——發明微積分的、柏克萊主教，乃至於牛頓本人，都覺察到瞬時作用它是有缺點的，也就是說這個引力是怎麼產生的，但是由於時代局限性，當時也只能如此。

但是時間到了1905年，我們都知道這一年被稱之為愛因斯坦奇蹟年，也是一個世界物理學的奇蹟年，我們說世界物理學有三個奇蹟年，其中第一個奇蹟年就是講哥白尼寫出的天體運行論，第二個奇蹟年就是在1916年牛頓提出來的三大定律和萬有引力，第三個奇蹟年就是1905年愛因斯坦寫出了光量子假說(含光電效應理論）、測量分子大小的方法、布朗運動、狹義相對論和相對論質能關係這五篇重磅論文。

實際上不同慣性參照系中都是一樣的，在相互勻速運動的不同觀察者看來，同一事件的時間坐標和空間坐標都不一樣，但是總的時空間隔是保持不變的。任何信號的傳遞不可能超過光速，時間和空間是一個整體，並稱為時空。

但是到了1915年愛因斯坦就提出了另外一個想法，在這一年愛因斯坦創立了廣義相對論。早在1907年，愛因斯坦就想到這樣一個被他稱之為「一生最愉快的想法」，他是這麼想的，自由下落的人感受不到重力，也就是說感受不到引力，也就是引力和加速的等效在這個自由下落的人身上是不存在的。後來，他又將引力納入相對論的框架，創立廣義相對論，指出萬有引力就是時空的彎曲，由此影響物質的運動，物質之間的引力需要時間來傳遞。用索恩的導師、美國著名物理學家約翰?惠勒的話說，「物質告訴時空如何彎曲；彎曲的時空告訴物質如何運動。」

這就好比在一個巨型的席夢思床墊上，一個物體引起床墊變形，變形向四周傳遞，導致另一個物體受力情況的改變，似乎受到前一個物體的吸引力。這個床墊扮演了類似時空的角色。從相對論的角度來看，質量和能量是等效的。

但廣義相對論的發展也並非一帆風順。在1915年11月，愛因斯坦與大數學家希爾伯特在短短一個月里之間經歷了緊張的競爭。最後，愛因斯坦在第三個報告中給出了正確的水星近日點進動（43」/世紀）和光線在太陽附近的彎曲（1.7」）這樣一個計算的結果。愛因斯坦因激動而心悸，而且「興奮激動了好幾天」，而且在15年11月25號最後一次報告當中，他就寫下了著名的引力場方程。在這個方程式當中，愛因斯坦做了一個偉大的預言，因為這個方程的發表標誌著愛因斯坦建立了廣義相對論。

後來有一個科學家叫史瓦西，發表了後來被用來解釋黑洞的愛因斯坦場方程的解。到了1916年，愛因斯坦又總結了廣義相對論的3個預言：第一個叫引力紅移，第二個叫光線彎曲，第三個水星進動。1916年6月，愛因斯坦就根據廣義相對論，提出了著名的預言叫引力波。引力紅移、光線彎曲、水星進動都一一獲得了證明，當時愛因斯坦還計算了引力輻射能量這樣一個結果，當然當年他計算錯了結果，到1918年的時候，他算出了一個正確的結果。

完成引力波論文之後，愛因斯坦又回到了量子論。他提出量子電磁輻射理論，並完善了他1905年提出的光量子學說（什麼是光量子，就是光由光量子組成，每個光子的能量由頻率決定），提出光子的動量也由頻率決定。這就為後來的量子電動力學和量子光學打下基礎，也為後來五十年代的激光打下理論基礎。

後來大家為了證明愛因斯坦的正確，在1919年就進行了著名的日全食觀察。英國天文學家愛丁頓和克雷姆林分別在巴西和西班牙觀測到了兩處恆星的光在太陽附近的彎曲（因為日食可以使星光不至於被陽光淹沒），正如廣義相對論所預言。這個事件在當時引起了全世界的轟動，比如泰晤士報就報道：「科學革命，宇宙新理論，牛頓理論被推翻」。正是這件事情使愛因斯坦成為家喻戶曉的人物。

時間到了1963年，一個科學家叫克爾就給出了黑洞旋轉的解。到了1974年又證明了脈衝雙星 PSR1913+16的發現，所有的這些發現都大致地證明了引力輻射與廣義相對論的當年所提出的預言完全一致。

那麼在20世紀物理學就有兩大支柱——相對論與量子論，我們可以來看看愛因斯坦在這個過程當中的貢獻：在相對論上面，1905年，愛因斯坦提出了狹義相對論，到了1915年，他提出了廣義相對論。在量子論當中，最早提出量子叫做普朗克，後來愛因斯坦在1905年提出了光量子，後來到1913年科學家就提出了原子的結構，到1916年愛因斯坦提出了量子電磁輻射理論，到了1925年到1927年的時間，量子力學正式確立起來了，海森堡、薛定諤、狄拉克等共同建立起了量子力學理論，到了1935年的時候，愛因斯坦又提出了著名的論叫量子糾纏。因此關於愛因斯坦在物理學上的地位是高得不得了，楊振寧先生這樣來闡述：麥克斯韋是一位偉大的物理學家，他對人類的貢獻怎麼說都不為過。但是從對物理學基本概念的貢獻的角度來說，麥克斯韋不能與愛因斯坦相比。愛因斯坦這一生有三大成就： 1）改變了我們對於時間和空間的理解，從而給理論物理帶來對稱性的概念和對稱性支配相互作用的思想； 2）創造了引力的幾何概念； 3）幫助狄拉克創立了量子力學。

在這一百年里，被譽為「人類認知自然最偉大的成就」 的廣義相對論，一直在成長當中：實際上我們就知道了時空的彎曲以及一些由時空彎曲可能產生的奇異事件，比如黑洞、引力波、奇點、蟲洞甚至時間穿越機器。在過去歷史中的某些時期，甚至現在，其中有些事物被不少物理學家視為洪水猛獸般的怪物，對它們是否存在提出過強烈的懷疑。就連愛因斯坦本人一直到逝世前都還在懷疑黑洞的存在。曾經同樣的黑洞懷疑論者惠勒，後來又成為了黑洞存在的支持者和宣傳者。你想，一個理論的出現，對於這個科學家來說，那是非常要命的，一會支持，一會反悔，一會再支持。引力波實際上作為廣義相對論的重要預言，一直到在上個世紀60年代，引力波是不是存在，它的存在性也仍被不少物理學家質疑過。在之後的漫長歲月里，好幾代的物理學家都付出了無數的努力，可是這神秘的引力波卻一直沒有被發現。

那麼引力波到底是什麼東西呢？接下來我們就來談談引力波和引力波的探測，我們先來談談引力波是什麼？

波就是一種振動的傳播，比如水波、聲波。顧名思義，引力波就是「引力的波」。引力源質量分布的改變，導致它對其它物體引力的改變，這種改變以光速傳播開來，就是引力波。

打個比方，水面上兩點之間沿著水面的距離，會被水波改變，如果將水面類比於我們所處的時空，那水波就是引力波，既然引力是時空彎曲，那麼引力波也就是「時空的漣漪」，即時空彎曲情況會隨時間變化、在空間傳播。

引力波到達之處，在垂直於傳播方向的平面上，任何長度都會振蕩，而且在互相垂直的任意兩個方向上步調相反。實際上引力波的探測也驗證了廣義相對論的正確性。但是引力波是很難被探測到的。為什麼引力波很難被探測？通常物體間的引力是很小的，一般情況下產生的引力波更是微不足道，因此引力波的產生還需要引力波源的質量分布改變，必須滿足這個條件。宇宙天體的質量巨大，所以它們之間的引力就非常大。理論表明，引力波主要來自宇宙中的超新星爆發、中子星、黑洞等緻密天體以及宇宙大爆炸這樣一些重要事件。

但引力波真的是很難直接探測，因為最強的引力波傳到地球時，導致的相對長度變化也只有0.0…01（其中小數點後面有21個）。也幸虧如此，是這麼小，否則人類或許就不存在了，受不了這個引力波的打擊的啊，就算是愛因斯坦本人，他自己也曾對「引力波」是不是存在也產生過動搖。1936年，移居美國的他與助手羅伯森曾寫過一篇關於引力波不存在，結果他把那個文章投到《物理評論》，被審稿人指出你寫的什麼文章，你是不是冒充的愛因斯坦來寫的，要求拿回去重新寫和修改。愛因斯坦一怒之下，不投你了，改投《富蘭克林研究所學報》。但是在發表的時候，在同事羅伯森的幫助下，文章被修改成關於一種圓柱形引力波。2005年，人們才知道，羅伯森其實就是當年那個審稿人。

好了，關於引力波今天先聊到這裡，讓我們一起自我迭代，好好學習，格致教育工作坊每天都在這裡等你。

講座時間：2018年1月14日

文稿整理：曾寶俊邵靜靜

錄音整理：劉 惠

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