专访｜苟利军：引力波探测一周年，我们重温那个伟大时刻

100年前，预测引力波的爱因斯坦或许都无法想象人类可以直接观测到引力波。今年9月，距离科学家们探测到引力波已经一周年了，在这个值得被纪念的时间，澎湃新闻全新一代君越·思想湃栏目邀请到了天体物理学家、《星际穿越》原著小说译者苟利军博士，带领观众再度进入迷人的天文世界。

“大家已经苦苦等了近一个世纪，这其中的艰辛恐怕只有在其中努力过的人才能真切体会到。所以即使相关消息已有许多，但发现引力波这一事件还是值得我们再度回味，”苟利军博士回忆自己当初到新闻发布会时都是热泪盈眶。

北京时间2016年2月11日，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）首次直接探测到了引力波。苟利军博士说：“困扰世界的百年物理谜题终于解开，这验证了1916年爱因斯坦提出的广义相对论，意味着时空是可以扭曲的。找到引力波就意味着打开了全新的宇宙观察视野，天文学在21世纪将进入引力波天文学时代。”

那么到底什么是引力波呢？苟利军博士介绍：“首先要理解引力是什么？波是什么？波要传动就需要时空这个媒介，所以大家要了解引力的发展史和时空的发展史。牛顿提出了万有引力，对于时空他也提出了自己的看法，他认为时间和空是完全独立的。然而在之后几百年的过程中，出现大量实验、理论与牛顿的理论时空观产生矛盾。”

20世纪初，爱因斯坦结合了此前的实验及理论提出了狭义相对论，假设光速不变原理，这样就使得时间与空间形成了一种联系，然而狭义相对论中最大的缺憾是没有包括引力。苦思十年后，1915年爱因斯坦提出了广义相对论。“牛顿认为质量的存在导致了引力，而爱因斯坦则对引力有了一个新的认识，他认为物体的运动是因为时空是弯曲的，因此引力是不存在的一个概念，”苟利军博士让观众们把时空想象成一张橡胶模，有质量的物体就会让橡胶膜弯曲，就像站在蹦床上时引起床垫变形一样。各式各样的天体，造成了时空这张橡胶模的弯曲。

橡胶模上弯曲的线，在曲面局部看反而是最直的一条线，这条线就叫做测地线。爱因斯坦方程就是用来描述这个现象的，左边公示代表时空的几何结构，右边公式代表时空中的能量和动量分布。

这个方程的第一个解，后来被科学家发现是一个黑洞。在数学上，黑洞把时空分成两部分，黑洞所谓的视界是只能进入没办法逃出的曲面，是一个球。在外面只可以进入视界之内，从视界之内逃不出视界。黑洞撕裂一切，黑洞使时间停止。两年前一部热映的电影《星际穿越》其中有一个情节，宇航员们前往了一个靠近黑洞的星球，他们只在这个星球上呆了三个小时，然而当他们回到停留在外面的飞船上时，飞船上的宇航员告诉他们已经过去了20多年。

爱因斯坦方程的另一个解，就是1916年发现了所谓的弱引力场下的解，这个解便描述了引力波。引力波就像水面上的波动。当水面震荡的时候，它的震荡会以水波的形式传播出去。类似的，时空几何的振荡也会由引力波的形式传播。不同的是，在爱因斯坦方程中，引力波是按照光速传播的。因此，引力波也被称作为时空的涟漪。

“时空对人们来说是一个非常虚的概念，但通过探测到引力波，让我们知道时间和空间是真实存在的，”苟利军博士说。

过去百年间人们是如何探测引力波的呢？

爱因斯坦认为只有质量足够大、能量足够高的物体以极快的速度运动，才可能产生足够大的引力波。“强烈的引力波大概会出现在四类情况下，第一种就是这次美国LIGO探测器所探测到双黑洞合并或者中子星合并；第二类是一些特殊的中子星在自身旋转过程中产生；第三类是恒心死亡时产生超新星时释放出大量的能量；第四类就是宇宙大爆炸过程中产生的原初引力波。”

苟利军博士继续介绍：“引力波是一个横波，它影响的是跟引力波传播方向垂直平面之内的距离。垂直于引力波传播方向的平面上的物体，它们之间的距离会按一定规律变化。物理上说引力波有两个偏振，也就是两种不同的模式。这些物体本来是一个圆环上，当引力波入射到达垂直屏幕的时候，这些圆环上的物体在一种偏振下是按照这种模式振荡。”

引力波的数学发现以后，科学家们就开始动脑筋想观测到引力波的物理效果。上世纪60年代，美国科学家韦伯首先开始实验。他用了共振法，用一个铝棒，它本身有一个共振频率。如果引力波是以共振频率入射，共振频率的引力波就会导致铝棒的振荡，他想通过检测装置探测到铝棒的振荡。

在韦伯的实验中，号称探测到了很多引力波的信号。但是，他的实验有两个问题：一是没有办法重复，二是他探索到的信号也没有天体物理的适当原因可以解释。所以大家普遍认为他的引力波探测是没有成功的。然而，他开创了引力波探测领域。

又过了10年，普林斯顿大学的Joseph H.Taylor教授和他的学生Russell A. Hulse在1974年首先发现了双脉冲星系统，这个系统的周期会衰减，这意味着能量在损失，那么损失的能量去哪里了？他们认为引力波是这种现象的最好解释，间接地说明了引力波是存在的。两人在1993年因此而获得了诺贝尔物理学奖。

也是在70年代，用激光干涉来测量引力波的方法出现了。激光打到一个分束镜，分成两束，沿着很长的距离传播以后，在镜子上分别反射，打回到分束镜上。如果两束的臂长一样，这两束打回来的光会在分束镜上合成一束从入射口回去，另外一口是没有光的。但是，如果有引力波，镜子的位置改变，导致的位移就会导致两束返回的光在分束镜上的相位有所变化，导致在没有光的口会产生信号光。把信号光检测出来以后，就可以探测出引力波。这种方法的好处是可以使臂长变得很长，越长就越可以放大引力波导致的镜子的运动。

1990年代初，美国物理学家Rainer·Weiss领导的LIGO项目得到了美国国家科学基金的资助，在美国的华盛顿州和路易斯安那州分别建造一个干涉仪，呈现L形排列，利用迈克耳逊干涉仪原理进行测量引力波。

L形测量臂很长，达到4公里，两个测量臂垂直排列，两端各有反射镜面。科学家认为激光在测量反射臂上来回反射，如果干涉条纹发生了变化，就说明探测到了引力波事件。“十余年运作没有发现引力波事件，科学家们对激光干涉引力波天文台进行了升级，从2010年到2015年进行了第一次升级，升级完成后的LIGO于2015年9月14日开始正式运行，在运行5分钟之后就探测到我们现在所熟知的第一例引力波事件，命名为叫GW150914。”

苟利军博士介绍，接下来科学家们还会对LIGO维护升级，希望其灵敏度达到现在的3-4倍，这样有望探测到更远更弱的一些引力波。“GW150914告诉了人们许多信息，在探测到之前我们从来不知道恒星级的黑洞如此重，两个黑洞的质量分别是36个太阳质量和29个太阳质量。产生这次引力波距离我们13亿光年，而人类致力行走也大约就是近20万年的时间。”

就是今年6月，第二例探测事件被披露，这次的探测事件正好发生在2015年圣诞节期间，于是也被称作为圣诞节引力波。

探测到引力波会对我们的生活产生什么样的影响呢？这是观众们目前最感兴趣的问题。

苟利军博士举了一个例子：“欧洲有一个大型强子对撞机，在对撞过程中会分享数据，但当时各国分享数据非常不方便，于是就有了3W网络协议。这在当时仅仅是核物理学家为了分享数据而创造的一种协议，后来就被运用到我们生活，直接让我们的生活发生了翻天覆地的变化。”

“现在探测到引力波似乎与我们的实际生活没有多少关系，但是很有可能在不远的将来，会再次导致人们的生活发生一次巨变。”

引力波已经出现在了许多科幻小说中，苟利军博士提到了大家最熟悉的《三体》。在《三体》中，地球上许多地方建立引力波发射塔，向宇宙中播放三体认的信息。这种情况有可能实现吗？苟利军博士说：“就像上述所讲只有四类天体运动才能产生能量强大的引力波，地球上的人为制造出的引力波极其极其微弱，想用来传递信号是非常困难的。所以《三体》中设想的这个情节不可能。”

在《星际穿越》中也出现了引力波。“这部电影没有直接谈到引力波，而是出现了一个在土星周围的虫洞，而正是借助引力波才发现了这个虫洞。”

苟利军博士还提到了《星际穿越》中最后一个让人印象深刻的情节，主人公在超立方体中不断敲打书架一样的东西，想通摩斯电码的方式将黑洞中的一些信号传递给女儿。“许多人以为这是引力波，其实不是，只是引力的作用，因为主人公是直接的敲打，而不是通过波的形式来传播。”

随着科技的发展，未来引力波无疑将带给人们更多的宇宙信息。而在这一激动人心的天文学进步背后，是一代代基础科研人员一生的艰苦奋斗。在全新一代君越·思想湃讲座最后，苟利军博士说：“基础学科非常辛苦与严谨，而且进程缓慢，然而它产生的影响却是划时代的。没有基础学科，所有的所谓创新都是小打小闹。希望中国的基础学科能够得到真正的重视和发展，也希望有志投身于基础领域的人，做好为理想贡献终生的心理准备。”