苟利军│引力波：带人类倾听星辰大海之声

 

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。

二、引力波的发现

我们刚才讲述了引力波探索的意义，现在回归到新闻发布会的一些结果，下面我给大家讲述、解释一下引力波具体是什么和产生引力波的天体，除了黑洞之外还有什么样的天体，以及引力波到底是怎么被探测到的。 

1、引力和时空的认识历史

这张图大家可以看到，最上面的图可以看到信号的强度，是从弱一直变强，到最后变弱，最强的地方代表了两个黑洞合并结束了。合并结束以后，引力波就消失了，所以它的信号就完全变弱了。中间一栏是我们的理论跟观测相拟合，可以看到拟合得非常好。既然探测到了，大家应该很期待了解到底什么是引力波。那引力波是什么呢？要理解引力波，首先要理解引力。

 

引力最早的提出者是牛顿，他是在17世纪提出来的。大家现在知道的故事是，有一天牛顿坐在苹果树下，正在想问题，突然间一个苹果砸中了他，从而让他意识到了世间的万物之间都存在着相互吸引力，我们把它称之为万有引力。而牛顿的当时对引力有着非常深刻的认识，他认为是质量导致了引力的存在，而且他给出了对应质量所对应的逃逸速度。如果我们要想摆脱地球的引力，就需要具备一定的速度，我们把这个速度叫做逃逸速度，对于我们地球而言，这个速度大约是11公里/秒。如果一个物体的速度超过11公里/秒，那就完全可以摆脱地球的吸引力。现在一些小型的地外探测器的速度都会超过这个速度，这样才能逃脱地球，最终去探寻或者探测其他的星球。

牛顿当时认为，质量导致了引力。同时他对于空间和时间也有着一定的认识。空间是用来描述物体的位置或者说位形的，而时间是描述事件发生的顺序。比如说，我们知道有些事情是昨天发生的，有些事情是今天发生的，就是说时间代表了事件发生的次序。牛顿当时是怎么认识的呢？他认为，时间和空间是绝对的，与物体的运动是没有关系的。这一点他在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书当中就阐述得非常清楚。

总而言之，他认为时空是完全绝对而且相互独立的。尽管我们知道牛顿的万有引力是经典力学的基础，而且完美解释了天体运动非常多的现象，但是后来的众多观测实验发现，牛顿的这种时空观是不对的。1905年，爱因斯坦提出了著名的狭义相对论，在这个理论当中有一点非常关键，他做了一个非常重要的假设，也就是光速不变原理。什么叫做光速不变原理？比如，一个人坐在一列火车上，如果火车的速度是2公里/秒，同时这个人在火车上以1公里/秒的速度跑步，最终地面上的人去看这个火车上的人跑步的速度，应该是两个速度叠加，就是说3公里/秒。但是爱因斯坦提出了与我们的常识不一样的观念，他认为，光速不管在任何的情况之下都是不变的。比如，一个手电在我们静止的时候打开，假设它是最大速度，不考虑一些介质的影响，是以30万公里/秒的速度传播的；另外，如果有一辆汽车，它运动的速度特别快，假设是20万公里/秒，那如果汽车突然把大灯打开了，按照我们已有的经验，旁边静止的人去看打开的大灯的光所传播的速度，应该是20万加30万公里/秒。但是爱因斯坦却说，不管一个物体有没有运动，光最终的传播速度都是30万公里/秒，尽管现在汽车在以20万公里/秒的速度行驶，但是汽车上所产生的光的速度，最终我们观测到的还是30万公里/秒。

正是因为这个简单的假设，导致上图（图片2）中时间和空间联系到了一起。只有在黄色区域的光椎之内，我们才可以到达或者实现。其他比如绿色的星星的范围，是我们根本没办法到达的，这已经相当于超过了光速。在狭义相对论当中还没有考虑到引力，所以在1905年狭义相对论提出来之后，爱因斯坦就进一步想把引力也完全包含进去。在1915年的时候，他又提出了广义相对论。广义相对论对于引力有了全新的认识，或者说是另外一种跟当时牛顿不太一样的认识。他们认为，是时空的弯曲导致了引力。弯曲的时空产生了加速度，从而产生了引力。

 

我们在日常生活当中或许会有这样的印象，不同质量的物体放到一个平直的橡胶膜上的时候，对于橡胶膜所造成的弯曲是不太一样的。质量比较大，造成的弯曲就比较大；如果质量比较小，那造成的弯曲肯定就比较小了。

那同样的，我们可以想象，宇宙也是由时空构成的，不同质量的天体也会造成时空的弯曲。在这里（图片3）列出来的三个天体——太阳、中子星、黑洞，它们的质量是不太一样的。黑洞密度最大的，所以最终它造成的弯曲是最明显的。如果有一个物体在这个弯曲的空间上运动，那自然就会感受到这个弯曲空间所造成的加速度，从而表现为所谓的引力。这就是爱因斯坦在广义相对论当中所提到的等效原理。也就是说，重力场（一个质量所导致的引力）和适当加速度运动所产生的引力，这两者之间是等效的，我们是不能够区分出来的。

下面是一个简单的例子。比如上图（图片4），有一个物体，它对于时空造成了弯曲，那周围我们放置一些不同的物体的时候，它是怎么运动的呢？尽管这些物体是想沿着它想象当中的直线去运动，但是因为空间是弯曲的，所以最终它会表现为围绕着这个天体在运动。这就是我们所知道的万有引力，比如说地球围绕着太阳运动。这其实是因为太阳造成了这个时空的弯曲，尽管地球在每一时刻都想沿着一个直线去运动，但最终表现出来的就是一条曲线。在这里有一个测地线，因为直线其实并非在弯曲空间当中最短的距离，而在弯曲空间当中最短的距离，我们称之为测地线，测地线其实往往是弯曲的。怎么理解呢？比如要从北京到纽约，最短的距离并不是任何一条直线，最短的距离是沿着地球的大圆圈上的一小段，我们想象是一条直线，但是如果把最终经过的路线投影到一个二维的平面上去看，就会看到这个最短的距离其实是一条曲线。这个曲线其实就是指测地线。

 

2、什么是引力波：时空的涟漪

怎么简单地理解物体和物体对于时空的影响呢？普林斯顿大学的John·Wheeler教授曾经有一句，对物体在弯曲时空当中的运动做了一个简单的归纳，他说：“质量保导致时空的弯曲，而弯曲的时空又决定了物质的运动。”

爱因斯坦对弯曲的时空，从数学角度做了一个看似抽象而且简单的描述，我们现在称之为爱因斯坦方程（Gμν=8πTμν）。左边的Gμν就代表了时空的几何结构，他就描述了弯曲时空到底是什么样子的，多大的质量导致弯曲的时空是什么样子的；右边是代表了弯曲时空当中能量和动量的分布。尽管看到的这个方程非常简单，但是往往简单的东西是非常抽象的，所以求解也非常困难。

1916年，爱因斯坦做了一个假设，他假设在弱引力情况之下，他的方程（爱因斯坦方程）就描述了引力波在时空几何当中是按照光速传播的。什么叫做弱引力呢？刚才说到，引力场等效于弯曲的空间，如果空间弯曲越大，那对应的引力也就很大。那弱引力代表什么呢？弯曲的空间比较小。如果说黑洞所造成的空间弯曲很大的话，那太阳造成的空间弯曲就相对较小了，地球应该就更小了。

假设宇宙当中空间的弯曲只是太阳或者一些不那么致密的天体所造成的，在这种情况下，它的引力波就应该是以光的速度在传播的。另外，引力波是什么样的振动呢？它的振动其实是指时空本身的振动。在日常生活当中，比如向水塘里扔一个石子，会看到水面上的水波，这和一个东西扔到这个宇宙当中，它会造成时空的振荡是非常类似的。所以，我们通常把时空当中的波动也称之为时空的涟漪。引力波代表了时空本身的振动，而非时空当中的振动。

引力波的效应其实是非常小的，所以我们怎么去测引力波的变化呢？如果在半波长之内，相距越远的物体，那它引起的引力波的距离变化越大。如果我们能够测到引力波在距离上的变化，我们就可以探知引力波的存在。现在我们知道引力波是一个横波，那什么是横波呢？横波就是它的运动方向跟振动方向是相互垂直的。

在这里（图片5），中间画了一个箭头，这代表了引力波的传播方向，如果两个绿色的物体通常在没有作用的时候，一直是保持恒定的，那么在引力波向下传播过程当，就会导致这两个物体之间的距离发生变化。那到底会发生什么样的变化、多大的变化呢？一方面是与引力波的强度有关系，另外一方面是与探测物体之间的距离有关系。那引起的距离的变化大约是多少呢？就是在这里（图片5）所看到的，强度如果用h来表示的话，就是乘它们之间的距离，h乘以L，最终ΔL ～Lh就代表了距离之间的变化。

 

到底引力波的强度大约有多少？地球上破坏力最强的，现在目前为止我们知道是氢弹。假设有一个历史上破坏力最大的氢弹，五千万吨当量，如果我们能够站在距离它中心一米附近，它所产生的引力波强度大约是10的负27次方。10的负27次方这仅仅是一个数字，如果没有比较，大家很难对这个大小有一个印象。一个原子的大小是10的负10次方米，那这个氢弹所产生的引力波，用个1米长的物体去探测，那这个1米长的物体所产生的变化量对应的是10的负27次方米，这要比一个原子的大小还要小10的负17次方。这就是说，它的效应是非常小的。相比较而言，早上我们赶公交车或者挤地铁，被别人挤一下或者推一下的效应，比氢弹所产生的引力波的效应都要强非常多倍。

既然地球上所产生的效应非常弱，那在宇宙当中有什么样的天体可以产生呢？研究发现，双中子星或者黑洞系统，都可以产生比较强的引力波效应。在某些情况之下，单个中子星也可以产生。以及我们熟悉的超新星爆发，在非常短的时间之内释放出来非常多的能量，这种爆发也可以产生很强的种引力波效应。另外，还有一种叫做原初引力波。为什么一定要加上原初，而不是简单的引力波呢？因为这种引力波产生于最初宇宙大爆炸的那一刻。我们知道，宇宙在刚刚产生的时候，经历了一个大爆炸的过程，所以它当时对时空也造成了非常强的扰动，从而也产生了比较强的引力波。因此，我们称之为原初引力波，区别于后来天体所产生的这些引力波。

三、引力波的探测之路

对于引力波的探测，尽管在1916年爱因斯坦就从理论的角度提出来了，但是之后的探测一直非常困难。在20世纪60年代，美国马里兰大学的韦伯教授做了一系列的实验，当时他试图利用一个叫做共振腔的设备探测引力波。也就是说，如果有引力波经过的时候，这个设备就会产生共振，从而可以相应地探测到信号的存在。

当时韦伯教授说他探测了好几个引力波，但是他的实验结果没办法被别人重复。我们知道，一个科学的结果最终肯定需要被不同的人重复验证。但是，尽管我们现在看来韦伯当时的探测是失败的，但他仍然相当于开创了引力波探测的领域。

在之后的70年代，一个非常偶然的机会，美国麻省大学的两个人，Taylor教授和他的学生Hulse发现了一对脉冲星系统。什么叫做脉冲星？就是说某一颗恒星，有点像灯塔，它在旋转的过程当中，当信号扫到地球的时候我们就可以看到，当离开地球的时候，我们就探测不到，好像隔一段时间就有一个信号，我们称之为脉冲信号。这一类天体通常是中子星。Taylor发现了一类很奇怪的双中子星或者说脉冲双星系统。因为通常的脉冲星系统的周期是非常精确的，但是这个系统的周期在逐渐减小。当时他就想不明白，最后突然来了灵感，说因为这是一个非常致密的脉冲星系统，所以很可能在旋转的过程当中有比较强的引力波产生。他们经过一段时间的观测，同时从理论的角度对他们的观测进行了拟合，发现理论跟观测结果是完美符合的，所以就间接地探测到了引力波。

 

我们现在知道，不仅仅是双中子星，双黑洞也存在着这种比较强的引力波。在之后的70年代，也有两个人，一个是麻省理工Weiss, 一个是Forward，他们想到可以利用Michelson干涉仪来测量引力波的存在。具体的测量原理非常简单，就是说一束激光进来，如果它的位置没有变化的话，分成两束最终被反射回来，它们所形成的强度不会发生变化，但是如果距离发生了变化，所对应的相位发生变化，我们所观测到的强度也会发生变化。如果一束激光一直在反射合并，它的强度没有发生变化，那证明没有引力波经过；那如果发现它的强度发生了变化，就可以间接推断出引力波的存在。最终探测的强度与臂长是有关系的。所以如果我们把臂长做得非常长，这就相当于把信号放大了，那么，尽管引力波的信号比较弱，最终还是有可能被探测到。

后来美国的LIGO探测器的臂长就做得非常的大，这是（图片6）激光干涉探测仪的实验图。LIGO计划是在1992年由美国的自然基金委员会开始资助的，它是世界上第一个大规模的引力波探测项目，是由加州理工和麻省理工的人建造的。麻省理工的人提出了探测的方法，加州理工在设备制造方面有非常强的技术，强强联合，最终有了这个项目。LIGO包含了两个探测器，一个是位于美国的华盛顿州Hanford城市，另外一个位于美国的路易斯安那州Livingston城市。

这是Hanford的天文台的照片（图片7），我们可以看到，它有两个4公里长的测量臂，呈L型。臂长做得足够长就可以放大微弱的引力波信号。

这是另外一个天文台Livingston在路易斯安那州的观测天文台（图片8），每个臂长也是四公里。

 

这是它里边的管道，激光在这些管道中不断被反射和最后被合并。这个管道里，为了防止气体对速度的影响，都抽成了真空。

这是它的镜子，因为引力波的效应非常弱，所以必须把镜子悬挂起来，否则如果放置在地面，火车或者人走过的时候都会产生振动，就会影响引力波的探测。

上图（图片11）蓝色的小圈代表了LIGO刚建成时的探测范围，而2015年年9月升级以后的灵敏度是大圈的范围。我们可以看到，从最刚开始的非常小的探测范围，到现在比较大的范围，有一个非常大的提升。因为灵敏度的极大提高，最终导致了这次的发现。

3、本次引力波的发现

我们来看一下这次发现的结果。2015年9月14号，LIGO探测的信号大约为0.2秒。也就是说，我们刚才听到的音频信号只有差不多0.2秒那么长，其实那个信号已经被放长了一段时间了。镜子移动的尺度是10的负18次方米。刚才我们也讲了，一个原子的尺度是10的负10次方米，它比一个原子的尺度还要小差不多一亿倍。所以测量精度是非常精确的。而同时，通过这次观测，我们知道是什么样的天体产生了这次的引力波呢？是两个黑洞。这两个黑洞的质量我们也得到了非常精确的测量，一个是36倍太阳质量，另外一个是29倍太阳质量，最终在合并以后形成了62倍太阳质量。我们简单的加一下，36加29应该是65，但是最终形成了一个62倍的太阳质量，有3个太阳质量在合并的过程当中被释放出去了。

 

这个合并的过程又是非常短的，肯定要比0.2秒还要小，但是在极短的时间之内释放出去的能量又非常高。另外，它距离我们地球有13亿光年。那就意味着这次爆发是在2015年9月14日爆发的，还是在其他什么时候爆发的？应该是在13亿光年之前爆发的。而我们人类在地球上也仅仅生存了七八百万年，地球的生命差不多是46亿年。所以13亿年之前应该还是一个非常炙热的环境，我们无法想象13亿年前到底是什么样的。但是最终这个信号经过了13亿年的传播，传到了地球上。但是还有一个问题，大家也可以考虑一下。就是说这个信号经过13亿年传到了地球上，那现在它到什么地方去了？是就消失了还是继续在向宇宙的其他时空在传播呢？应该说，它继续在向更远的地方传播。

4、黑洞：时空弯曲的“极端”情况

这次引力波探测不仅仅探测到了两个黑洞了，也是对于爱因斯坦相对论的又一次验证，它最终在黑洞合并的时候，产生了非常强的引力波。这次发现的天体源是黑洞。关于什么是黑洞，我之后会再做解释。

黑洞也是时空弯曲当中的一种“极端”的情形，它也是爱因斯坦方程中的一种解。那黑洞到底是什么呢？相信大家在日常生活当中也常听到这个名词，黑洞其实就是一种连光也逃不出去的天体，所以如果我们看黑洞的话，它应该看起来像一个黑色的球体。另外，从结构的角度而言，黑洞是宇宙当中最简单的一种天体。只有几个词，比如视界面、奇点、史瓦西半径，就可以定义它。这是从偏向于学术的角度去定义黑洞，那在生活当中，大家怎么去理解黑洞呢？

我给大家看两张图，相信大家对这个非常熟悉。这是貔貅，大家之所以在日常生活当中把貔貅当做一种瑞兽，是因为什么呢？因为它最大的特点——招财进宝。而它之所以能够成为招财进宝的瑞兽，是因为它只进不出，这一点和黑洞非常类似。黑洞中隐匿着巨大的引力场，这种引力大到任何东西，甚至连光都难以逃脱黑洞的影响。如果你在那百度上搜索“黑洞”，可以看到这个搜索结果都被吸到一个黑色的点里面去了，这是说明了黑洞的第二个特点：一个物体，或者说任何靠近黑洞的物体都会被黑洞撕碎，然后吸进去，一旦吸进去就逃不出来了。

如果我们通过这两个特点去理解黑洞的话，它具有什么样的效应呢？越靠近黑洞，空间弯曲就越大，时间的流逝就越慢。这非常抽象，很难简单地从语言上理解。但是如果大家看过2014年的电影《星际穿越》，会有相对深刻的理解。在电影当中，主人公Cooper离开地球的时候，他的女儿也就七八岁。但是他回来的时候，主人公的年纪感觉没有发生太大的变化，他的女儿却已经是一个80多岁的躺在病床上奄奄一息的老人了。我们可以感受到这之间的时间是不太一样的，尤其是在电影当中还提到了有一点，主人公Cooper和Amelia跑到了一个非常靠近黑洞的星球，叫做Miller星球，他们在那个星球上只待了三个小时，他们感觉没有浪费任何一点时间，但是当他们回到母舰上的时候，母舰上的宇航员告诉他们已经过去20多年了。所以，在Miller星球上的三个小时，竟然等于母舰上或者地球上的20多年，时间被拉伸了六万倍。这就是说，在黑洞周围，因为时间被拉伸的效应非常严重，所以就可能导致这样的现象。

另外，中国神话当中常说“天上一日，地上一年”，但是从来没有人去解释这是为什么。这很有可能也是因为引力效应的不同。如果问大家，既然天上一日是地上一年，那从引力的效应而言，神仙居住的环境是引力更强还是更弱？引力强的地方，往往代表了时空弯曲更大，所以神仙如果是居住在某个环境中，那应该是居住在引力比较强的地方。

 

其实在我们日常生活当中，有一些效应往往被忽略掉了。我们现在人人都有手机，去某些地方需要导航，导航利用的信号是来自导航卫星。卫星上的时间和我们地球上的时间，大家可以想象一下，因为所处的高度、距离、位置不同，时间也肯定会有差别。在地球表面或地球附近，空间弯曲应该稍微大一些。相比较之下，我们时间的流逝要比卫星上的时间流逝得慢一点。这样的话，就有一个时间差。我们在利用导航的时候，最终必须要考虑到这个因素。因为尽管这个时间差非常小，但是光速是30万公里/秒，如果不纠正这个时间差，导航估计就会把我们引向一个完全不知道的地方。这是现在导航系统必须要考虑的一个效应。

如果从高维时空去看，黑洞应该是什么样子的？非常像一个漏斗状的物体。在科幻电影或者理论当中有非常多对于黑洞的描述。人类发现的第一个黑洞是在天鹅座，当时在X射线波段，而且是第一个被发现的，所以我们是称之为天鹅座X-1。这个黑洞系统是在20世纪60年代被发现的，发现以后，地球上非常著名的物理学家或者说最聪明的两个物理学家就为此就争论，其中，霍金尽管做了非常多有关黑洞方面的工作，但他认为这个系统当中不存在黑洞。但是基普·S·索恩认为这是黑洞，所以两个人就为此打赌，并且写下了一个赌约，以1年的杂志作为赌注。

他们是1974年12月份签订的赌约。到了大约20世纪90年代的时候，越来越多的观测表明，这个系统当中应该存在黑洞，霍金最终服输了。在这个赌约上，我们可以看到霍金的签名以及指印。尽管在20世纪90年代很多的证据表明，这很有可能是一个黑洞，而且霍金也承认自己输了，但是对于黑洞质量等的测量并不是特别精确。2010年，我在美国哈佛大学读博士后，我和合作者利用美国的VLBI射电望远镜以及美国的钱德拉X射线太空望远镜，对黑洞的质量以和它的距离进行了精确的测量。现在我们知道，黑洞的质量大约是在15个太阳质量左右，距离是7800光年。也就是说，每一次我们所观测到的光，都是经过了7800光年才传到地球上的。大家或许会问，测量重量、质量、距离等性质有什么意义呢？对于一个天体而言，尤其是对于黑洞，这就类似于我们做了一个完整的描述，当我们知道黑洞的这些性质以后，就可以很容易地把这个黑洞和其他的黑洞区分开来。而且可以知道一些黑洞处于什么样的状态，就如同我们看到了这幅画一样，天文学家需要的是这些量，大众或者艺术家需要的是这幅画。

那么，在宇宙当有多少种黑洞呢？现在我们知道的，有两大类黑洞：一种我们称之为“恒星级黑洞”，它的质量和我们的太阳差不多，或者就是几十倍，是质量较小的黑洞；另外一类要比太阳的质量大非常多，可以说是几百万倍，甚至几十亿倍都有可能。我刚才提到，一旦一个东西掉到黑洞里边，那肯定是出不来了。那我们怎么才能够看到黑洞呢？尽管黑洞自身是黑色的，我们看不到它，但是它周围会产生气体盘，以及在某些情况之下它会有一些喷出的物质，这些气体盘和喷出的物质会产生比较强的辐射，从而让我们知道黑洞就在那里。这些辐射都不是来自黑洞本身，而是来自黑洞附近。

 

恒星级黑洞是怎么产生的？通过观测，我们知道“恒星级黑洞”是宇宙中一些大质量的恒星演化而成的。在银河系当中，太阳系只是沧海一粟。天气比较好的时候，在半夜出门会看到一条颜色不深的带，其实这个带就是由非常多恒星构成的。这些恒星都是位于银河系之内。其实理论当中，有一千多万个恒星级黑洞，也就是几十个太阳质量的黑洞。但是因为黑洞本身不发光，只有在某些情况下它周围的气体才会发光，所以到目前为止我们也只探测到了十多个黑洞。它的探测是非常困难的，绝大多数的黑洞还没有探测到。

距离我们最近的一个黑洞，它的距离大约是3400光年。在左边的这张图上，星星代表的就是太阳系在银河系中所处的位置。那超大质量黑洞在我们银河系当中有没有呢？其实也有一个。因为在每个星系的中心，都会有一个超大质量的黑洞。美国UCLA大学的艾德·盖茨教授利用世界上最大的凯克10米望远镜，对中心的黑洞质量进行了测量。他们利用最先进的技术——干涉技术、激光导星技术，以及自适应的光学技术，测定了一些黑洞周围的恒星轨道。经过将近十多年的测量，最终知道银河系中间存在着一个大约为430万太阳质量的黑洞。

那刚才讲了，对于天文学家来说，最基本的是知道了它的质量，就可以区分出不同的黑洞。但是对于大众来说，那黑洞有什么样的意义呢？因为很多的情况下，比如霍金就说，黑洞中心有可能是通向另外一个宇宙的入口，而且像《星际穿越》，所谓虫洞的种子有可能就在黑洞中心所产生。尽管现在我们还不知道，但是黑洞的研究可以帮助我们理解这些知识。

引力波给我们打开了一扇认识宇宙的全新窗口，给目前的探测方式做了一个补充。两种方式可能探测到不同的天体，也可能探测到同一个天体，但是能够通过不同的方式去了解同一个天体的不同性质，就好比盲人摸象，一个盲人摸到的象，和一个具有多手段的人看到的象肯定是不一样的。

四、中国现阶段的引力波探测计划

中国现阶段的引力波探测计划是什么呢？中国有一系列的计划，比如太极计划和天琴计划，这两个计划都是空间项目，类似于欧洲的LISA计划。另外，我们在地面上有一个阿里计划，准备在我国的西藏阿里放置一个射电望远镜，来观测我们之前提到的源初引力波。还有贵州的射电望远镜，以及SKA射电望远镜，来对脉冲星进行观测，从而间接探测引力波的存在。

最后，我谈一点作为一个科学家的思考和体会。因为我的研究方向是天文，这与大家的日常生活相差较远，尽管在非常短的时间之内，大家不能够体会到它所带来的深刻好处，但是作为一门基础学科，它通过一种非常缓慢的方式，在拓宽着人类的认识极限，最终都是往前行的。类似于这次引力波的探测，它在1916年提出来，在2016年年初的时候被发现，整整经过了一百年。人类经过了一百年的努力，才探测到了理论上的预言。麻省理工大学的校长在新闻发布会说了这句话：“基础学科是辛苦的、严谨的和缓慢的，又震撼性的、革命性的和催化性的。没有基础科学，最好的设想就无法得到改进，‘创新’也只能是小打小闹。只有随着基础科学的进步，社会也才能进步。”

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责任编辑：叶其英

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