苟利军：引力波发现的意义

苟利军 中国科学院国家天文台研究员，恒星级黑洞爆发现象研究创新团组负责人

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今天我希望通过这个讲座，让大家明白什么是引力波，为什么我们用“倾听”来描述观测宇宙的声音。希望大家在这次报告之后能对这些问题有比较深刻的理解。

接下来我进入正题，给大家解释一下2016年非常热门的话题——引力波。关于引力波的报道，我们可以简单的归纳为以下的三个要点：第一，引力波终于被我们人类探测到了。我们知道，引力波是爱因斯坦在1916年，相对论提出之后的第二年，从理论的角度推断出来的。但是经过整整一百年之后，这个全世界大约一千个科学家参与的项目才探测到引力波，经历了非常艰巨而且漫长的努力，来之不易。第二，引力波是由什么样的天体产生的。在宇宙以及我们的生活当中，有没有可能可以产生、探测到的引力波呢？在引力波出来之后，好多人都说，因为引力波存在于我们生活的各个地方，所以淘宝上就有电商开始卖防引力波服。希望大家听完这个报告之后，对于防引力波服是不是真的有预防作用做出正确的判断。第三，引力波到底是什么，什么样的设备探测到了引力波？这次是美国的激光干涉引力波天文台所发现的，它为什么能发现这么精细或者说微小的引力波效应，我会为大家做一个简单的解释。

探测到引力波的消息出来之后，很多媒体，包括电视、报纸，都对于引力波都做了宣传。那么，它的意义为什么这么重大？

如果以人类的探知方式做类比，传统天文的观测方式（利用望远镜观测）就好比人的眼睛，我们看到的是一幅图像，但是引力波就如同给我们提供了一个探测宇宙的耳朵。除了我们现有的眼睛之外，我们又多了一双耳朵，我们就会看到更为丰富多彩的宇宙。在此之前，引力波从来没有被探测过，所以它给我们打开了一扇认识宇宙的全新窗口，这是一个非常值得纪念的时刻。另外，这次发现也非常类似于电影历史的发展，在最刚开始的时候，电影是没有声音的，但是后来电影被加入了声音。从无声电影到有声电影，这种差别是巨大的。如果再让我们回去无声电影，肯定不能忍受。

尽管现在引力波发现的意义非常重大，但是我们现在还处于刚刚开始的时候，也就是初端，所以它所带来的巨大变化，我们现在还不能感受到。如果若干年之后，再回头来看我们现在所处的时代，就会感受到引力波给我们带来的效应。

另外，引力波不仅仅有声音上的差别，它在探测宇宙天体的方面，能够探索到一些电磁波方式（图像）探测不到的天体，比如这次所探测到的黑洞，就是在电磁波波段看不到的。

接下来我让大家感受一下两个黑洞合并时所产生的引力波，听起来到底是什么声音，大家仔细听接下来的这段小音频。在结尾的时候有一个音频突然升高的那一刻，时间非常短，它就是代表了两个旋转的黑洞在最后合并时所发出的声音。两个黑洞合并时所产生的频率，刚好在我们人耳能够听到的频率范围之内。纵轴的频率最高点是在200多赫兹，人的耳朵的灵敏范围最低可以到50赫兹，200多赫兹正好处于人类耳朵的听力范围之内。所以将引力波的效应类比于人类的耳朵。

引力波：人类探索宇宙的第五次飞跃

纵观人类探索宇宙的方式，我们可以将引力波称之为人类探索宇宙的第五次飞跃。伽利略第一次将光学望远镜指向了天空，发现了月球上的环形山以及木星的卫星。之前人类看宇宙、夜空的方式都是肉眼，将望远镜指向天空以后，人类的观测能力不断得到提升，我们才探索到宇宙中非常多的神奇面貌。所以，伽利略将望远镜指向天空，这是人类探索宇宙的第一次飞跃。当时他的望远镜口径只有2.6厘米，放大倍数是14倍，这非常类似于我们日常生活当中小孩子玩的玩具望远镜，在我们现在看来非常简单，但是正是这个非常简单的东西，最终导致了我们探索宇宙的进步。

到目前为止，世界上最大的望远镜单口径已经达到了10米，就是凯克望远镜，它是位于美国夏威夷莫纳克亚死火山之巅。而下一代的30米望远镜，刚才我提到的TMT望远镜，也是正在建设当中。所以我们可以看到，从最刚开始的2.6厘米口径的望远镜到现在的10米望远镜，以至于下一代的30米望远镜，人类在不断地建造着更大口径的望远镜去探索宇宙。而与此同时，我们也不仅满足于在地面上探索，比如我们发射了一些太空望远镜，其中最出名是哈勃望远镜，它是在1990年由美国的太空飞船发射上去的。到目前为止，它已经服役26年了。而美国的雄心更大，它正在建造更大口径的望远镜，比如我提到的韦伯望远镜，它的口径可以达到6.5米，这相当于是空中的巨无霸了。所以，人类在不断建造更大口径的望远镜，试图理解和探索我们这个神奇的宇宙。

我们注意到，这些望远镜都是光学望远镜，它非常类似于我们眼睛的一个延伸，观测波段都是肉眼可以看到的可见光。上个世纪30年代，美国贝尔实验室的一个叫做杨斯基的工作人员，在鉴别电话干扰信号的时候，偶然发现了一些来自银河系中心的射电信号，从而发现，不仅人类可以产生制造出无线电信号，在宇宙天体当中也可以自发地产生一些无线电信号。这一次的发现打破了我们对于天体的认识，认识到天体其实不仅可以在可见光波段产生辐射，在可见光之外也可以有辐射。这加宽了我们对于宇宙的认识，是第二次跃。

到目前为止，世界上最大口径的射电望远镜是位于波多黎各的美国射电望远镜，是Arecibo望远镜，单口径达到了308米。这个望远镜相当出名，因为它出现在非常多的电影当中，比如用来寻找地外生命之类的。2016年9月，中国建成了世界上最大口径的望远镜FAST，500米口径，位于中国贵州。我去过一次，当时大约建到一半，站在塔顶向下腑瞰球面非常壮观。

第三次飞跃是什么呢？第三次飞跃也是一个非常偶然的机会，美国的天体物理学家贾克尼利用火箭发现了太阳系外的第一批X射线源，之后又建造专门的X射线卫星，发现宇宙剧烈变化的的一面，同时也让人类首次能够在地球大气层以外探索宇宙。它的大背景是两个非常强势的国家，一个是美国，一个是苏联，当时的空间竞争。苏联人在1957年的时候领先美国，首先发射了第一颗人造卫星，而紧接又把加加林送到了太空当中，所以美国人当时感觉到了非常大的压力，之后就制定了阿波罗计划，要登月。在这种环境之下，他们需要对月球的一些表面情形做出勘探，他们是怎么做的呢？发射火箭。美国人是想利用这种方法来探索月球表面的一些成分问题。但是很奇怪的是，他们没有发现来自于月球表面的X射线，反而发现了来自于宇宙深空当中的X射线，这当时令天文学家非常兴奋。因为大家以为我们所看到的宇宙是非常平静的，不会有非常剧烈的一面，但是X射线需要有非常高的温度，或者换句话说，只有非常剧烈爆发的时候，才能够产生X射线或者γ射线。从而X射线让天文学家看到了宇宙当中非常剧烈的一面。所以我们将这次的发现称之为第三次飞跃。

我们再看一下这几次飞跃或者说变革，不管是伽利略还是杨斯基，以及后来的X射线，都相当于探索的我们所熟知的电磁波谱上的不同部分。射电部分比光学的能量要低一些，而X射线要比光学高一些，但它们都是电磁波谱。

第四次的变革或者说飞跃，距离我们非常近。在1987年，当大麦哲伦星云中，有一个非常明亮的超新星爆发了，我们现在称之为1987A。在这次爆发之前，有两个地点观测到了这颗超新星爆发中微子信号，一个是美国的戴维斯，另一个是日本的小柴昌俊，他们都在爆发之前就探测到了。这是人类第一次在太阳之外探测到了中微子信号。所以这次探测信号的意义重大，也因此而开创了一门新的天文学科——中微子天文学。相比之前的三次，中微子是不同于光子的另外一种粒子，意义也非常重大，我们叫做第四次飞跃。

引力波的发现是第五次飞跃。之前不管是电磁波还是中微子，都相当于给我们提供了一幅图象。而引力波给我们听到的是一个声音，所以又是完全不同于前四次的飞跃，我们称之为第五次飞跃。我们现在正处于大门刚刚打开的时刻，引力波究竟会带给我们什么样的这种星空，还需要我们以后进一步的探索，但是我们相信是非常丰富多彩的。

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责任编辑：叶其英

文章来源：http://www.71.cn/2017/0830/962512.shtml