发现引力波
——2017年诺贝尔物理学奖解读

张双南

中国科学院高能物理研究所，北京 100049

发现引力波
——2017年诺贝尔物理学奖解读

张双南†

中国科学院高能物理研究所，北京 100049

2017年10月3日，终于到了宣布2017年物理学奖的时刻，诺奖委员会宣布：2017年的诺贝尔物理学奖授予三位美国物理学家雷纳•韦斯(Rainer Weiss)、基普•索里(Kip Stephen Thorne)和巴里•巴里什(Barry Clark Barish)，表彰他们对于研制激光干涉引力波天文台以及利用该天文台发现了引力波作出了决定性的贡献。这样的结果毫无悬念，和物理学界大部分学者的预言完全一样。那么，这个科学发现到底是什么？和现代物理学的发展有什么关系？爱因斯坦和这个发现是什么关系？引力波有什么用？有办法防引力波辐射吗？引力波探测与研究的未来是什么？中国在引力波探测领域的现状和未来计划是什么？笔者将在这篇文章里回答上面这些问题。

引力波；激光干涉；黑洞；广义相对论

1 百年现代物理学用这个传奇做了一个了断

1.1 现代物理学建立的标志

现代物理学建立的标志当然是一百多年前建立了相对论和量子力学。从牛顿开始到19世纪末，经典物理学已经形成了完整的理论体系，经典物理学的大厦已经非常宏伟，驱动着工业革命的蓬勃发展。但是，有两朵似乎微不足道但是又驱之不散的乌云(图1)，时不时飘在经典物理学的大厦上空，这就是以太问题和黑体辐射的紫外灾难问题。

20世纪初，爱因斯坦的狭义相对论圆满地解决了以太问题，而普朗克的黑体辐射量子理论又圆满地解决了黑体辐射的紫外灾难问题，于是开启了现代物理发展的一个新时代。从狭义相对论到广义相对论，从早期的量子力学到成熟的量子电动力学、量子场论、粒子物理标准模型，从太阳系到星系再到整个宇宙的形成和演化，现代物理的理论体系已经完整地建立起来了，能够很好地描述和预测小到夸克的微观尺度，大到整个宇宙的宏观尺度的各种现象和行为。当然，我们的看似完整和完美的现代物理学，唯独无法解释暗物质和暗能量，这被称为21世纪现代物理学大厦上空的两朵新乌云。

图1 经典物理学大厦上空的两朵乌云

1.2 诺奖委员会对量子力学情有独钟

相对论理论的建立尽管也有多位物理学家的贡献，但是爱因斯坦的贡献不仅傲立群雄，而且即使说是爱因斯坦以一己之力建立的，也不会有太大的问题，尤其是广义相对论的建立更是人类理性思维和科学发展的一个高峰！

量子力学的建立则完全是一批物理学家的集体贡献，爱因斯坦也对量子力学的建立作出了重要的贡献，比如他于1922年被授予的1921年的诺贝尔物理学奖的颁奖词为：“对理论物理的服务，特别是发现了光电效应的规律”。 “光电效应”是光的量子性的直接证据，而且是对原子的量子力学模型的直接验证。

事实上，随着量子力学以及基于量子力学的粒子物理标准模型的发展，相关研究从1918年普朗克获奖开始至今已经获得了大约30个诺贝尔物理学奖，而且其中还有几年没有授奖。诺贝尔奖评选委员会对量子力学的情有独钟可见一斑！从另外一个方面说，这些诺贝尔物理学奖标志着量子力学走向了成熟，虽然今后还会进一步发展，但是其正确性已经毋庸置疑。

1.3 相对论在诺奖历史上的尴尬

爱因斯坦发现的光电效应虽然和多数诺贝尔物理学奖的成果相比毫不逊色，但是很显然在爱因斯坦的众多伟大贡献中，却是较小的一个，尤其是和相对论相比简直可以忽略不计。但是爱因斯坦因光电效应获奖，他本人在未来获第二次诺贝尔物理学奖的可能性就会变得微乎其微。相对论在诺贝尔物理学奖历史上的尴尬就开始了。

很显然，爱因斯坦建立的广义相对论，一百年来虽然已经成为现代物理学的主要部分，而狭义相对论更是和量子力学一起构成了现代物理学的两个支柱，但是，不但爱因斯坦没有因为相对论而获得诺贝尔物理学奖，后来对广义相对论作出贡献的众多物理学家们，也无人因此获得过诺贝尔物理学奖，这不能不说是物理学史和诺贝尔奖历史上的一个遗憾。

那么，相对论就永远不会获得诺奖了吗？并不是！

1.4 3.0个诺贝尔物理学奖

尽管相对论在诺贝尔物理学奖历史上的尴尬在继续，历史上还是有3.0个诺贝尔物理学奖不但和爱因斯坦以及相对论有密切的关系，而且可以看作是本次诺贝尔物理学奖的前奏。

(1)0.5个诺贝尔物理学奖 1983年和Fowler分享了诺贝尔物理学奖的Chandrasekhar(钱德勒塞卡)。他获奖的颁奖词是“对恒星的结构和演化中的物理过程的重要性的理论研究”，而钱德勒塞卡在这方面最为重要的研究是，发现了以前认为的恒星演化的最终产物白矮星必然有质量上限，这就奠定了理解中子星和黑洞形成的理论基础。20世纪60至70年代发现的中子星和黑洞都验证了钱德勒塞卡理论的正确性，钱德勒塞卡获得诺贝尔物理学奖可以说是众望所归。由于钱德勒塞卡的恒星演化理论的背后就是相对论和量子力学，这个诺贝尔物理学奖也可以说是奖励给了把相对论和量子力学同时应用到天体物理的一个重要发现。

(2)0.5个诺贝尔物理学奖 1974年和Ryle分享诺贝尔物理学奖的Hewish。他获奖的颁奖词是“对发现脉冲星的决定性角色”(但是，实际上发现脉冲星的是他的学生Bell女士，她并没有分享此奖，而这也被认为是诺贝尔奖历史上的重大冤案之一)。很显然，发现脉冲星证实了钱德勒塞卡以及后来很多物理学家应用相对论和量子力学研究天体演化的理论工作的正确性。

(3)1.0 个诺贝尔物理学奖 1993年Hulse和Taylor分享的诺贝尔物理学奖颁奖词为“对于发现了一种新类型的脉冲星，这个发现打开了研究引力的可能性”。他们发现的是一个双中子星-脉冲星系统，在其后的几十年中，利用这个以及后来陆续发现的双中子星-脉冲星系统，对广义相对论进行了各种精确的检验，至今没有发现对广义相对论的偏离。尤其是，双中子星轨道的衰减，和广义相对论预言的通过引力波辐射的轨道衰减精确一致，也因此人们经常用Hulse和Taylor的这个观测和研究结果，作为对广义相对论的引力波预言的观测验证。但是，确切地说，这只能算是间接验证，因为并没有观测到这个以及其他双中子星-脉冲星系统辐射的引力波，况且他们获得诺奖的直接原因是他们发现了这种天体系统，而不是对引力波的检验。

(4)1.0个诺贝尔物理学奖 2011年Permutter、Schmidt和Riess获得的诺贝尔物理学奖的颁奖词为“对于通过观测遥远的超新星爆发发现了宇宙的加速膨胀”。这个奖不但和爱因斯坦本人有关系，而且对这个发现的“主流”解释也是以广义相对论为基础的。爱因斯坦在哈勃发现宇宙膨胀之前，曾经在他的广义相对论场方程里面，引入了所谓的“宇宙学常数”，用来产生一个长程排斥力来抵抗引力，保持宇宙处于一个静态的状态。但是在哈勃发现了宇宙膨胀之后，爱因斯坦认为他引入的“宇宙学常数”是犯了他“一生最大的错误”，否则，他就可以预言宇宙的膨胀。如果在广义相对论的框架下解释早期宇宙减速膨胀，但是为了解释近期宇宙加速膨胀这个观测结果，还是需要在广义相对论场方程里面引入“宇宙学常数”，而目前对于“宇宙学常数”的物理解释就是宇宙中充满了未知的暗能量！

回顾前面这3.0个诺贝尔物理学奖，我们就会发现：尽管广义相对论已经是理解这些重大发现的理论基础，早就被学术界认为是现代物理基础理论的重要部分，而且，“引力波”也是1993年诺贝尔物理学奖的那个观测结果的最合理的解释。但是，无论广义相对论还是引力波都还没有被授予诺贝尔物理学奖，和量子力学以及相关的物理学研究的情况获得了大约30个诺贝尔物理学奖相比有天渊之别，实在是诺贝尔物理学奖历史和现代物理学历史上的一大冤案！

2017年的诺贝尔物理学奖授予了LIGO实验直接探测到并且发现了广义相对论的最主要预言——引力波，不但是众望所归，而且也是对百年现代物理学做了一个了断！从今往后，扩展广义相对论理论并且发展和量子力学统一的量子引力理论的研究，以及利用引力波探索宇宙和发现新的科学规律将进入一个新时代！

2 爱因斯坦说，引力波就是时空弯曲的直接后果

首先我们可以做一个简单的实验来理解引力的本质就是时空弯曲的结果。一个弹性很好的蹦床本来是完全平的，在上面放了一个重球，这个面就不再是平面了，中间凹下去了(图 2)。然后再放一个球，这个球就往原来那个重球那边落过去。并不是这两个球“相爱”了，而是空间弯曲了，后面那个球必须沿着弯曲的面走，所以这两个球只有撞在一起的命运。如果我们给这个球一个合适的切线方向的初始速度，这个球就会绕着中心的重球绕圈，类似地球绕着太阳运动，这也是由于空间弯曲的结果。所以，所谓的“引力”就是空间弯曲的直接结果，这两个球撞到一起或者绕着转圈并不是真的由于这两个球之间有一个绳子或者一个吸引力。

图2 理解引力的本质就是时空弯曲结果的演示实验

如果这两个球都很重，让两个球相互绕转，由于每一个球都使得它周围的空间弯曲了，这样当它们两个球相互绕转的时候，就会使得弯曲的时空向外传递，向外传递的这个东西就是引力波。所以我们知道，引力波也是时空弯曲的直接结果，在平直时空里面是不可能有引力波的，只要有弯曲的空间就必然会产生引力波(图3)。爱因斯坦意识到这个图像之后，就把他利用黎曼几何写出来的引力场方程进行了简化，也就是做了弱引力情况下的线性化，得到了引力波方程，数学形式上类似麦克斯韦电磁场理论的电磁波方程，而且引力波传递的速度就是光速，爱因斯坦就于1916年预言了引力波的存在。

3 引力波和电磁波、声波有什么不同？

电磁波是电磁场震荡的传播，比如一个加速运动的电荷就会产生电磁波。电磁波也是我们最熟悉的两种波动之一，光就是电磁波。电磁波的传播不需要介质，也就是在真空中就可以传播，这就是我们能够看到宇宙远处的天体的原因。当然，电磁波也可以在介质中传播，在不同的介质中不同频率或者波长的光的传播速度不一样，这就是所谓的色散效应。我们能够看到美丽的彩虹就是这个原因。

图3 引力波产生的示意图

另外一种我们最熟悉的波动就是声音，声音就是物质振动的传播，所以是机械波。机械波的传播需要介质，在不同的介质中声音传播的速度也是不一样的。但是在真空中声音不能传播，这就是为什么太空中出舱的宇航员只能面对面对视，用眼光交流，要想说话就必须通过无线电。

激光干涉引力波天文台所发现的两个黑洞绕转，通过引力波辐射损失能量，最后并合在一起变成一个黑洞(图4)。引力波则是完全不同的一种波。引力波的传播不需要介质传递，换句话说，引力波就是空间的涟漪，也因此宇宙中所有的物质和能量都能够感受到引力波。

4 引力波探测的历史

4.1 几十年的争论，费曼一锤定音

如果要探测引力波所产生的空间扭曲振动，引力波必须能够携带能量，但是这个问题在学术界争论了几十年。直到20世纪50年代，一些相对论理论物理学家，特别是邦迪严格证明了引力辐射携带能量，因此原则上这是一个可观测的物理现象。因为引力波携带能量，所以一个辐射引力波的系统会损失能量。1957 年费曼和邦迪提出把两个黏性小球套在一根刚性杆上(图5)，当引力波传来的时候，刚性杆因为原子力的作用长度不发生变化，但两个小球的间距将会持续震荡变化，这样会与刚性杆发生摩擦，产生热量，这热量的来源就是引力波。这个假想实验就说明了引力波不但携带能量，而且可以把携带的能量传递给引力波经过的介质！

图4 两个互相绕转黑洞的模拟示意图

图5 费曼和邦迪的实验原理图

可能您会问，既然那两个小球和刚性杆没有摩擦力而且是处于真空中，小球还是会震荡，那么引力波还会传递能量给小球吗？答案是不传递。其原因如下：小球之间的相对距离显然变化了，所以相对运动了，但是它们只是随着扭动的空间在运动，实际上动的是空间。也就是说两个小球相对于它们所处的空间并没有动，引力波过后空间又恢复平静，它们也立刻静止，所以并没有任何能量传递给小球。这就是为什么宇宙深处产生的引力波，尽管在传播到地球的时候已经使得途经的天体都扭动了，但是引力波的能量还是几乎没有任何损失！不过如果我们想测量小球的相对运动，就必须和小球发生作用，这样小球就不可能随着空间的扭动自由振荡了。这个小球本来在惯性坐标系里面做的惯性运动就受到了阻尼，它的能量就损失了，损失的能量传递给了产生阻尼的物体，这样就等效于引力波传递能量给小球了！

这种情况类似于在一个完全没有阻力的情况下依靠惯性运动的物体，这个时候你无法确定这个物体到底携带了多少动能，因为相对于不同坐标系，也就是相对于这个物体做匀速直线运动的不同的观测者，这个物体的速度是不一样的，因此问这个物体是否携带了动能就毫无意义。但是，一旦给这个物体施加一个阻力，它减速运动的加速度对于所有的这些观测者就都是一样的，大家计算出来的这个物体的能量损失，也就是通过阻力耗散的能量就是一样的，而这个物体也的确是损失了能量。

4.2 开创了引力波探测领域，自己却声名狼藉

如果广义相对论是正确的，那么引力波就的确是存在的，引力波携带能量而且还会把能量传递给探测器，使得引力波能够被探测到，那就探测吧！

终于，从引力波理论提出开始，过了50年才有人开始建造试图探测引力波的设备。第一个尝试这么做的人是马里兰大学的韦伯教授，是名副其实的引力波探测的开创者。他把自己的设备命名为“谐振条天线”，今天学术界通常称为“韦伯棒”。韦伯认为铝制的圆柱体可以被当作铃铛，放大微弱的引力波。当特定频率的引力波到达圆柱体的时候，圆柱体会产生轻微的谐振，其周围的传感器会把这种振动转化为电信号。为了确保他测量到的不是周围经过的卡车或者轻微地震的振动，他采取了一系列的保护措施：比如将韦伯棒悬置在真空中，使用了两个韦伯棒，分别位于马里兰大学的校园和在芝加哥附近的Argonne国家实验室。如果两个韦伯棒在微小时间间隔中产生了同样的振动，他认为这就可能是引力波造成的。

1969年6月，韦伯宣布了他的谐振条记录了引力波事件。物理学家和媒体都很激动，《纽约时报》这样报道：“人类对宇宙的观测又一新篇章被翻开了。”很快，韦伯开始报道每日都记录到了引力波的信号。 不过，其他的实验室都没有得到与他类似的结果，而且很多新建的精度和灵敏度都比他的韦伯棒好很多的引力波探测器都没有探测到信号，学术界对他的怀疑迅速扩散，和他产生了多次极为激烈的争论。韦伯本人学术态度的不严谨，更是使得他的学术声誉断崖式下滑，比如，他不断修改对已有数据分析的结论，以迎合新的研究成果或者应对学术界的质疑。几年之后，学术界大部分人都认为韦伯的实验或者数据分析有严重问题，世界上跟风建的类似实验也逐渐都关门了，也包括1972 年中国科学院在北京中关村和广州中山大学建立的韦伯棒。韦伯自己也只能在一个破旧的实验室孤独地继续做实验，虽然持续宣称有新的探测结果，但是已经引不起学术界的任何注意了，韦伯在学术界可以说是声名狼藉。令人唏嘘不已的是，韦伯2000年去世的主因，竟然是冬天在他的破旧失修的实验室门口滑倒，连续两天没有获救，身体健康从此每况愈下，最终去世。

4.3 另辟蹊径，但是难于上青天

分享了2017年诺贝尔物理学奖一半奖金的美国麻省理工学院的Rainer Weiss(雷纳•韦斯)教授也对引力波的探测很感兴趣。但是韦斯觉得他自己不太懂广义相对论，于是决定教广义相对论的课，这样就逼着自己至少提前一天比他的学生们理解他要教的内容。他在教课中无法解释韦伯的结果，于是开始思考和设计后来的激光干涉引力波天文台，也就是LIGO的原型机，打算做原理验证实验(图6)。他后来回忆道：“我不能理解韦伯想干什么，我不认为韦伯的那个想法是正确的，于是我自己开始去找答案。”顺便说一句，教授们想学一门课的一个办法不是去听一门课而是去教一门课，这尤其是物理学家们特别喜欢做的事情，很多牛人都干过这样的事情。笔者虽然不是牛人，但是也常常这么干，笔者的物理和天体物理的很多知识都是在准备教课的过程中掌握的。

图6 用激光干涉探测引力波的原理图

韦斯在教广义相对论课的过程中掌握了广义相对论，并且产生了完全不同于韦伯的探测方法的新设想，于是打算另辟蹊径探测引力波。但是怎么拿到研究经费呢？他在从系里的管理者那里争取资助时遇到了严重困难，因为许多他的同事对这个设想持有严重怀疑。其中一个怀疑者是著名的天体物理学家和相对论专家，坚定地认为黑洞不存在——这一看法当时很多同时代的人都持有，因为当时支持黑洞的数据太少了，况且爱因斯坦本人都不相信黑洞存在。既然黑洞是理论上仅有的少数可以产生可观测到的引力波的源头，他们认为韦斯的研究纯属胡闹，所以坚决反对给他经费用来研究探测引力波。

在走投无路之下，韦斯想到了一个办法，就是忽悠军方支持他的研究。美国军方对于支持基础科学研究向来很重视，因为这些研究往往能够产生颠覆性的技术，而这些技术应用到军事方面常常威力无比。他最终说服军方给了他一些经费研发探测引力波的技术。同时，他也积极和加州理工学院的索恩教授交流，索恩教授是国际知名引力物理专家，学术地位比韦斯高得多，所以索恩说服了加州理工学院也支持沿着这个新方向开展引力波探测的研究。同时，基于类似的想法，德国、英国和苏联的科学家，也开始了用这种原理开展引力波探测的研究。

虽然韦斯做他的引力波探测的原理验证实验很投入也很享受，但是多年没有任何拿得出手的成果毕竟是很尴尬的，而且军方也逐渐失去了耐心。由于看不到韦斯取得突破的前景，就不再给他经费了。他读博士时候的导师实在是看不下去了，就劝他先把引力波探测的事情放一放，去做点有用的事情让自己在学术界站住脚。无奈之下，韦斯就改行做宇宙微波背景辐射的空间探测研究，领导了后来获得了诺贝尔物理学奖的COBE卫星的一个重要仪器团队，作出了关键的贡献。

4.4 终于起步，但是几乎崩盘

LIGO终于启动了，那么前面会是一片坦途吗？并不是！由于LIGO是韦斯、索恩和得雷夫联合建议，他们都在项目的前期研究和启动的过程中发挥了不可替代的作用，而且他们三位都是当时这个领域的顶尖科学家，这个项目启动之后就由他们三人联合管理，史称LIGO三巨头。但是他们之间的合作非常糟糕，韦斯和得雷夫都是杰出的实验专家，各自有不同的想法，互相攻击，完全无法合作；索恩是理论家，想尽办法在他们两个之间斡旋，但是仍然无济于事。于是项目的进展一塌糊涂，看不到完成的希望，基金会终于忍无可忍，命令彻底改变项目的管理。于是加州理工学院指派了一个重量级官员取代他们三位独自管理这个项目，但是他和得雷夫矛盾更大，最终还是把得雷夫开除了！得雷夫当然不服，到处告状，整个项目团队面临分崩离析，LIGO实验几乎崩盘！最终加州理工学院任命了粒子物理学家Barry Barish(巴里•巴里什)担任这个项目的首席科学家，就是今年和韦斯、索恩一起分享诺奖的第三人。做这种大型的科学项目对于粒子物理学家来说并不陌生，巴里什不负众望，不但重整了LIGO项目的管理，而且建立了LIGO的科学合作团队，重新向基金会提交了LIGO建设方案。虽然经费需求大幅度提高，基金会仍然全盘接受，LIGO项目终于步入正轨，并于1994年正式开始建造(图 7)。

图7 激光干涉引力波天文台照片，每个真空管道长4 km

4.5 引力波再次乌龙，只因诱惑太大？

引力波的探测并不是只有LIGO这类实验能做。现在的标准宇宙产生和演化模型告诉我们，在宇宙大爆炸的前期有一段暴胀时期，这个时期宇宙的尺度随时间指数增加，在这个过程中的量子涨落也必然会产生引力波，称为原初引力波。原初引力波能够在宇宙微波背景辐射的信号中留下痕迹，比如偏振的特征信号。测量宇宙微波背景辐射的偏振信号，就有可能观测到宇宙原初引力波，这对于理解宇宙的产生和演化具有不可替代的作用，很显然是诺奖级的成果。国际上有几个实验都在试图做这个探测，竞争异常激烈。

2014年一个爆炸性的科学新闻传播全球，其影响力类似于去年LIGO团队发现引力波的新闻。在新闻发布会上，美国放置在南极附近的BICEP望远镜团队宣布，他们根据测量到的宇宙微波背景辐射的偏振信号，发现了大爆炸遗留的引力波。于是，学术界开始谈论到底谁会因此获得诺贝尔物理学奖！但是，好景不长!欧洲的一个专门测量宇宙微波背景辐射的Planck卫星发现，南极那个实验所观测的那一片天空，存在以前未知的干扰信号，之前实验看到的实际上是干扰信号产生的偏振信号，根本就不是宇宙微波背景辐射的偏振信号。这个诺奖级的科学成果原来是一个乌龙。事实上，如果那个团队更谨慎一些，在新闻发布之前仔细检查各种可能性，是可以发现这个错误的，但是他们没有这么干，而是匆匆忙忙宣布了所谓的重大发现，也许是因为诺奖的诱惑实在是太大了。

实际上，LIGO团队自己也摆过一次乌龙。他们为了测试搜寻引力波的程序和算法，会由一个小组在实验数据里面加入人造的信号模仿引力波信号。有一次在注入了人造信号之后，没有通知项目团队的其他人，其他人在找到这个信号之后，以为自己发现了引力波，并且已经在学术界内部发布了探测到了引力波疑似信号的预警，全球很多地面和空间望远镜都对疑似产生引力波的那个天区进行了快速和密集的搜寻，试图探测产生引力波的天体的电磁波信号，结果当然都是一无所获。LIGO项目团队花了6个月时间仔细分析了数据，确认是探测到了引力波，并写好了论文准备投出去。直到这个时候，他们才发现这个引力波信号其实是那个小组注入的，他们只能自嘲这是一次“火警”演习。

加上韦伯的引力波探测乌龙，在引力波真被探测到之前，曾经摆过三次乌龙，以至于当LIGO终于探测到了引力波信号之后，很多人都在怀疑：是不是还是乌龙？甚至在获得诺奖之后，仍然有人在怀疑。当然，现在有极为确凿的证据表明，LIGO这次是真的探测到了引力波！

4.6 熬到了成功，却没有得到终极荣耀

韦伯开创了引力波探测领域，最后却声名狼藉，毫无疑问是引力波探测历史上的一个悲剧人物。如果LIGO稍微提前几个月探测到引力波，甚至如果LIGO项目团队分析2015年9月14日探测到的那个引力波事件稍微快一点，那么韦伯很可能就是引力波探测历史上最令人唏嘘不已的人物。

发起LIGO项目的是韦斯、索恩和得雷夫三巨头，无论是科学界还是LIGO项目内部都一致认为，如果LIGO探测到引力波获得了诺奖，得奖人必然是这三巨头。事实上，在LIGO的结果公布之后，这个成果斩获了所有的科学大奖，直到2017年10月3日最终获得诺贝尔物理学奖这个终极科学荣耀，但是获奖人里面没有得雷夫！

前面讲过，得雷夫被当时的LIGO项目的新负责人开除出了LIGO项目团队，并且规定他不准再踏入LIGO实验一步。尽管后来加州理工学院认为，对得雷夫的这个处理过于严厉而且不公，但是并没有恢复得雷夫的LIGO项目成员身份，只是想给得雷夫一笔不菲的研究经费让他爱干啥干啥。但是得雷夫拒绝了，因为LIGO是他一生的心血，除了LIGO他什么都不想做。在LIGO成功地探测到引力波的时候，得雷夫已经是重度老年痴呆症患者，索恩去医院看望他，得雷夫非常高兴地和索恩一起回忆了他们当年一起开创LIGO的愉快时光。随后LIGO项目获得的所有科学大奖的名单上都有得雷夫，尽管得雷夫已经不能亲自出席领奖。很显然，得雷夫很快就将获得科学的终极荣耀——诺贝尔物理学奖！不幸的是，得雷夫于2017年3月因病去世，最终还是没有等到这个终极荣耀。

在一片痛惜中，很多人都觉得，如果引力波的发现获得了2016年的诺贝尔物理学奖，就不会有这样的遗憾了。但是，诺奖提名的时间是当年的1月31号，而LIGO团队是在2016年2月11号才宣布发现了引力波。从程序上来讲，他们不可能获得提名，自然就不可能获奖。历史无法重演，就差了这么几天，得雷夫就成了引力波探测历史上最悲情的人物了。但是，科学界和历史都不会忘记得雷夫对于引力波探测的杰出贡献。

5 这仅仅是开始，未来会更加精彩

5.1 引力波有什么用？要防引力波辐射吗？

我作关于引力波的科普报告或者公众演讲的时候，或者被记者采访有关引力波的事情的时候，每一次，绝对是每一次，我都会被问到这个问题：引力波有什么用？取决于当时的心情或提问者，我会在下面这几个答案中选一个回答：

(1)什么用都没有，但是在研究如何探测引力波的过程中，科学家研制出来的技术非常有用。探测引力波需要世界上最精密的测量技术，技术水平远远超越目前工业的水平，因此这些技术对人类非常有用。实际上，LIGO团队研发的一些贴近目前工业水平的技术已经得到了应用，而更多远远高于目前工业水平的技术，未来肯定会得到应用。

(2)艺术有什么用？但是人类在艺术上花得钱远远比在科学上花得钱多。有一次一个女生回应说，艺术让我感到幸福啊！我说，引力波让科学家感到幸福，科学家幸福了，人类就幸福了。

(3)就像100年前物理学家们研究相对论和量子力学的时候，没有人知道这些理论对我们有什么用一样，今天我们也不知道研究引力波有什么用。但是相对论和量子力学建立之后100年，现代科技和日常生活都已经离不开根据相对论和量子力学的原理所发展出的日新月异的技术了，从半导体到超级计算机，从核能到GPS导航，从医学诊断设备到量子通信，无不是如此。100年后，谁知道引力波的研究会带给我们什么呢？科学研究的重要性，就在于会带给人类完全预想不到的惊喜，其回报总是无数倍于投资！

另外一件令人哭笑不得的事情是，在引力波刷屏之后，网上出现了众多的引力波产品，大部分都是防引力波辐射的产品，因为大家只要看到“辐射”这两个字就会吓尿。既然引力波已经到达地球了，当然要想办法防引力波辐射，而专门为孕妇做的防引力波辐射服似乎最畅销！信不信由你，还真有朋友咨询我哪一家的孕妇防引力波辐射服效果最好！我的回答是，如果孕妇能够感受到引力波的伤害，也就不需要上千个科学家花几十年的时间而且花了美国科学基金会历史上最大的一笔经费做引力波的探测了，只需要让孕妇告诉我们被引力波击中是什么感觉就行了！

引力波当然无法屏蔽，也无法防，因为引力波能够穿透宇宙、穿透地球。当然也不需要防，因为引力波对我们的影响远远比我们自己呼吸对自己的影响小，好的影响、坏的影响都算上！

5.2 引力波探测的未来和中国的计划

地面探测引力波的装置除了LIGO之外，在意大利和德国也有类似的装置，而意大利的那个装置也探测到了一次引力波。澳大利亚、印度和日本也都在计划或者研制类似的引力波探测器。这些激光干涉仪一起构成的网络可以用来精确地定位引力波源。下一代激光干涉仪计划，如爱因斯坦望远镜将建造在地下，由三个10 km长的臂构成等边三角形，每个角上放两个探测器，可以用来探测引力波的偏振，获得更多的信息。中国相关大学及研究所也在计划建造地下激光干涉引力波探测器。

由于受到地球引力梯度的限制，在地面上不可能观测频率低于1 Hz的引力波。要探测更低频率的引力波，则需要在空间进行探测。计划中的空间探测引力波计划有欧空局的LISA——也就是激光干涉空间天线计划，日本的分赫兹干涉引力波天文台，中国科学院的太极计划(图8)，以及中山大学的天琴计划等。

此外，通过观测引力波对电磁波在空间传播过程中的影响，也可以用来探测引力波。脉冲星测时阵便是通过测量引力波对毫秒脉冲星的电磁脉冲到达地球上望远镜的时间的影响来测量引力波的，这种方法可以测量到频率更低的引力波。国际上的脉冲星测时阵有欧洲脉冲星测时阵、北美纳赫兹引力波天文台、Parkes 脉冲星测时阵等。中国科学院的110 m口径全可动射电望远镜和500 m口径球面射电望远镜(FAST，又称“中国天眼”，图9)，也可以通过脉冲星测时阵方法测量引力波。

图8 中国科学院的太极计划

如上面所说，宇宙极早期暴胀时期的量子涨落会产生原初引力波，前面说的那个乌龙就属于这种探测。国际上目前有多个地面望远镜在开展这种探测实验，也有空间实验计划。到目前为止，还没有发现原初引力波。中国科学院高能物理研究所正在中国的西藏阿里天文台建造类似的宇宙微波背景辐射望远镜，称为阿里计划。

图9 500 m口径球面射电望远镜(FAST)

6 结束语：引力波将带给我们新的科学和宇宙

很显然，引力波探测正在成为一个非常活跃和竞争激烈的领域，引力波将成为科学家进一步探索宇宙和发展科学理论的有力工具。利用更加高精度的引力波观测，科学家有望回答以下问题：黑洞到底是什么？是数学家和理论物理学家们预言的奇点“ 数学黑洞”，还是我和我的学生刘元所预言的中心没有奇点的“天文黑洞”，还是为了保证量子信息守恒而推测的“火墙黑洞”，还是最近炒得很热的“软毛黑洞”？广义相对论理论是最好的引力理论吗？能否测量到“引力子”？能否提供检验有些量子引力理论模型所需要的观测数据？除了促进黑洞和广义相对论的研究，探测到黑洞和中子星、两个中子星的并合，将能够促进对于中子星的内部结构的理解，也许能够回答所谓的“ 中子星”内部到底主要是由中子还是夸克组成的这个中子星研究的终极问题！

2017年的诺贝尔物理学奖对百年现代物理学做了一个了断，同时开启了科学史上一个激动人心的新时代！很幸运，我们目睹了这个伟大的事件！

(2017年11月1日收稿)

The stories inside and behind gravitational wave: A brief introduction to the Nobel Prize in Physics 2017

ZHANG Shuangnan
Institute of High Energy Physics, Chinese Acadmy of Sciences, Beijing 100049, China

On October 3rd, 2017, it was announced that the Nobel Prize in Physics 2017 was divided, one half awarded to Rainer Weiss, the other half jointly to Barry C. Barish and Kip S. Thorne “for decisive contributions to the LIGO detector and the observation of gravitational waves”. In this article, I shall try to answer the following questions: What is this scientific discovery?What is its relationship with the development of modern physics? What is its relationship with Einstein? Is gravitational wave useful?Is there any way to shield gravitational waves? What is the future of the detection of and research on gravitational waves? What are the future programs of gravitational wave detection in China?

gravitational wave, laser interferometry, black hole, general relativity

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.06.002

†通信作者，E-mail: zhangsn@ihep.ac.cn

(编辑：温文)