張冰：引力波探測意義非凡 引力波通訊目前遙不可及
11月17-18日，2018年未來科學大獎頒獎典禮暨F2科學峰會在北京盛大舉行，80餘位世界頂級科學家蒞臨現場，分享前沿學術成果。騰訊科學有幸邀請到張冰教授進行了獨家專訪，就引力波與多信使天文學等熱點前沿話題進行了解讀。
張冰 美國內華達大學拉斯維加斯分校物理天文系教授
多種天體甚至人體運動都可以產生引力波
引力波是時空的漣漪，自2015年LIGO（激光干涉儀引力波天文台）首次探測到引力波之後，引力波這一概念基本認識已經深入人心。但是神奇的引力波究竟是如何產生的呢？張冰教授表示：「不同於偶極輻射的電磁波，引力波是所謂的四極輻射。形象地理解，帶電粒子加速即可產生電磁波，但引力波產生不僅需要加速質量，而且加速度本身也要隨時間變化。天體中所有兩個質量互相環繞的過程（例如雙黑洞、雙中子星、甚至普通雙星）因為加速度方向不斷變化，所以自然滿足這個條件。引力波的強度決定於併合時兩天體的距離與天體質量相對應的黑洞尺度的比值。緻密天體的併合可以彼此非常靠近，因此是強引力源。雙黑洞併合是最強引力波源，其次是黑洞-中子星併合或雙中子星併合。」
圖註：雙黑洞合併產生的引力波
此外張冰教授還介紹說，宇宙中單個天體的劇烈過程也有可能產生引力波，例如不對稱的超新星爆炸或者不規則星體的自轉運動。如果距離地球足夠近，就有可能被目前的引力波探測手段接收到。
雙中子星藝術概念圖
在生活中很多人類運動，比如體操運動員、武術運動員或者滑冰選手在進行運動時都能產生引力波。但是由於人的質量很小，其身體的緻密程度與宇宙間最緻密的天體黑洞是完全無法相比的。雖然人類運動能產生引力波，但是是微乎其微，是絕對不能被探測到的。
引力波對於多信使天文學具有重要意義
關於這一問題，張冰教授舉了一個生動的例子來解釋：比如說我們過年了放煙花爆竹，我們可以看美麗的煙花，聽到爆炸的聲音，還可以聞到煙花的氣味，這樣才能全面感受節日氣氛。電磁、引力波和中微子也可以理解成不同感官，就像視覺、聽覺和味覺。但這是一個不恰當的比喻。嚴格意義來講，對於天體的研究不同的信使實際上是不同物理過程的探針。比如電磁輻射反映的電子的溫度或加速過程，中微子反映的是質子或更一般的重子的加速和強子反應的過程，而引力波反映的是中心的能量源的質量不均勻程度及運動的信息。通過多信使（電磁波、中微子、引力波）傳遞的多種信息，人們對天象就可以有全方位的了解。
激光干涉引力波天文台（LIGO）
對於引力波探測的靈敏度，張冰教授表示，引力波是時空本身微弱的變化，探測及其困難。目前的探測器幾乎已經達到了極限程度。在這樣的情況下，能稍微壓制一點雜訊就對提高探測能力非常有幫助。目前人們正在想盡一切辦法抑制各種雜訊，包括地震雜訊，光散粒雜訊，光壓雜訊，熱雜訊等等。將探測器隔離，提高激光功率和增加臂長是提高引力波靈敏度的有效手段。另外，引力波探測（如LIGO）必須有至少兩台相隔很遠的探測器同時運行，這樣才能確保信號的天文起源。
LIGO兩台引力波探測器數據對比
引力波探測黑洞具有獨特優勢
張冰教授表示：「傳統的黑洞探測實際上並不是直接觀測黑洞本身，而是通過看黑洞附近的物質而間接理解黑洞。引力波使我們能夠真正觀測黑洞本身。
黑洞以及引力透鏡效應藝術概念圖
比如說第一例引力波事件之前，人們並不知道30倍太陽質量的黑洞的存在。因為要產生任何的電磁輻射都必須有物質，而黑洞的定義是所有的物質都掉到裡面，連光都無法逃出。因此，現在雙黑洞併合過程很難有很強的電磁輻射，目前的雙黑洞源還沒有一個有非常確鑿的電磁信號。但是引力波不一樣，它是空間本身的波動，探測雙黑洞是最有力的。」
引力波通訊具有理論可能 目前遙不可及
引力波科學最後可能跟技術相結合
關於引力波通訊，張冰教授認為只是科幻元素。現階段的人類文明是完全做不到的。
就這個問題張冰教授指出，技術並不是科學的目的，而是科學的最終結果。做科學的過程中不應該直接去想如何實現技術。比如說牛頓概念蘋果落地的時候是為了理解引力怎麼回事，直到幾百年後人們才用他的定律將衛星送上軌道。麥克斯韋、法拉第研究電磁現象只是為了了解電磁作用的原理，也是多年以後人們才發展了無線電的技術。愛因斯坦也是完全從理論的美感出發寫下了質能方程，多年以後人們才用他的理論製造出原子彈。對引力波也是一樣，目前我們主要關注它的物理機制，對引力波的應用將需要漫長的時間。
張冰教授接受採訪
「引力比起電磁力要弱30多個量級，因此引力波通訊要比電磁波通訊難得多。我們可以做一個思維實驗，假如人類操控另外兩個地球在地球門前進行擦身環繞運動併產生引力波，這些引力波的強度要比雙黑洞合併產生的引力波弱40多個量級。考慮到雙黑洞距離比這兩個近在眼前的地球遠了將近20個量級，對地面探測器來說這些雙地球併合的信號還是比我們探測到的黑洞的引力波信號弱了20多個量級。要產生引力波需要大量質量，即使我們傾其所有用了兩倍地球質量給出的引力波尚且這樣弱，利用地球上的任何質量來進行引力波通訊都是本質上不可能的。那麼是不是在遙遠的將來人類有可能實現引力波通訊呢？我想成千上萬年之後，如果人類文明沒有摧毀自己並且高度發展，他們沒準兒可以操控特別大的天體，這時候利用引力波才能成為可能。所以這真的是一個非常非常遙遠的未來」，張冰教授說。
受訪人|張冰 美國內華達大學拉斯維加斯分校物理天文系教授，理學院副院長，美國物理學會會士；本文發布前由受訪人審稿
編輯 | 騰訊科學 宋宇豪
文章由騰訊科學「科普中國頭條創作與推送項目」團隊推出
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