天体物理群沸腾了，有人彻夜未眠

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长江商报消息 本报记者专访华中科技大学教授纵论引力波

□本报记者 张萌

宇宙浩瀚，人类一直很孤独。仰望星空，是人类古老的传统，我们渴望探索未知的宇宙，从未停止脚步。

在现代科学还没有诞生之前，宇宙几乎不可探知，多数人面对头顶上神秘的星空，既敬畏又恐惧。 对此，古人说:“六合之外，存而不论”。但是，科学的精神却从不懈怠，未知领域才是科学前进的方向。

2016年2月12日，科学家们宣布:“引力波终于被探测到了!”这一消息让全球为之惊喜。此次发现并不是科学史上的“玩笑”，科学家们很慎重——美国加州理工学院、麻省理工学院、LIGO(激光干涉引力波天文台)科学联盟和美国国家科学基金会联合宣布，人类首次探测到了来自宇宙深处的引力波。

在科学界之外，引力波成为各大主流媒体关注的焦点。同时，在社交网络上，引力波成为新的谈资，朋友圈中纷纷传来引力波的文章。一时间，科学界、民间和媒体都在关心引力波，人们突然变得如此关心起宇宙的问题来。

什么是引力波，能否用三言两语轻松地就把这个问题解读了？引力波的发现对于这个世界来说意义究竟如何？科学家们又是如何看待这场重大事件的？普通人又将如何走进这门深奥的学科，持续享受宇宙带来的快乐？我们为此专访了华中科技大学物理学教授汪定雄，以专业的视角，科学的态度，真正畅谈一次科学家眼中的引力波。

人类在探索宇宙方面向前迈了一大步

长江商报：您所了解的科学界内部是如何看待这一事件的?

汪定雄：作为广义相对论的理论预言，引力波被LIGO直接探测到，其科学意义非常重要，国内外科学界一片沸腾。得知这个消息后，我们天体物理群里面就沸腾了，甚至有的人太过兴奋，而彻夜未眠。

长江商报：既然如此，那么从科学的角度来看，“引力波被成功探测”其意义究竟何在？

汪定雄：大致总结一下，其意义体现在以下3个方面。

首先，这次成功探测表明人类在利用引力波认识和探索宇宙方面向前迈进了一大步。以目前的科学手段来看，天文观测一共有4个信息渠道，即电磁波、中微子、宇宙线和引力波。其中，引力波信号极其微弱，因而过去引力波这个信息渠道并没有利用起来，也就没有获取到宇宙信息。

其次，这次引力波的探测来自两个恒星级别黑洞的并合过程，是对引力波的直接测量。这个发现非常重要，很可能获得诺贝尔奖。（注：1974年，美国物理学家泰勒和赫尔斯利用射电望远镜，发现了由两颗质量大致与太阳相当的中子星组成的相互旋绕的双星系统PSR1913+16。观测结果精确地按广义相对论所预测的那样：当两个致密星体近距离彼此绕旋时，该体系会产生引力辐射，这是人类第一次得到引力波存在的间接证据。泰勒和赫尔斯因此获得1993年诺贝尔物理学奖。）

第三，此次引力波的成功探测是理论与激光技术的完美结合。一方面证明广义相对论是描述宇宙的成功理论，另一方面证明激光干涉技术是测量宇宙微弱信息的有效手段。

长江商报：对于大多数人而言，要想真正理解“引力波”恐怕是件很费“脑力”的严肃事情。因为要进入这个问题，首先还要具备一些理论物理或天体物理的知识。就像要吃一个坚果，首先要打破那个坚硬的果壳。您能够以通识的、大众可理解的方式，结合本次引力波事件，介绍一下理论物理和天体物理这两门学科吗？

汪定雄：物理学可以分为理论物理学和实验物理学两个领域，所以理论物理是物理学的一个重要方面。本质上看，物理学是以实验为基础的科学，理论物理学提出的模型必须受到实验的检验。

可以先发现实验现象，再提出理论模型对现象进行解释，例如光电效应；也可以先有理论预言，再通过实验或观测去检验理论的正确与否。这次引力波的直接探测就是证明100年前广义相对论的理论预言的。

天体物理属于天文学与物理学的交叉科学，它又分为实测天体物理和理论天体物理，这次引力波的测量就是实测天体物理和理论天体物理的结合。另外，天文学有一个新的分支叫引力波天文学（其中既有实验部分也有理论部分）。诺贝尔奖没有天文学奖，因此这次引力波的发现，如果要拿诺贝尔奖的话就是诺贝尔物理学奖。

引力波不能被屏蔽，也不会被物质阻隔

长江商报：探测引力波很长一段时间内被视为“不可能完成的任务”。近一个世纪以来，也不断有实验声称直接探测到了引力波，还屡次造成了轰动效果。那么，在您看来此次LIGO所探测到的数据是否也跟以前一样，是一场误解？此次探测的准确性有多大？

汪定雄：不错，以前的确有很多次宣布引力波的发现后来又被否定。例如，20世纪60年代的韦伯实验，以及2014年的BICEP实验。但是这次激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到的引力波是可靠的、准确的，态度是谨慎的、科学的。

引力波新闻发布的时间是2016年2月12日，比首次探测到引力波的时间（2015年9月14日）晚了近5个月，可见这条新闻发布是非常谨慎的。

LIGO由位于路易斯安娜州利文斯顿和华盛顿州汉福德两个探测器组成，引力波信号被两个探测器同时测到，观测显示的波形曲线的变化完全符合广义相对论的理论模型预言。

长江商报：为什么说引力波是“时空涟漪”？它如何在宇宙中穿行，为何不被其他物质（或暗物质）或能量阻隔？

汪定雄：广义相对论认为引力的本质是时空几何在物质影响下的弯曲。物质分布与时空度规（度规是描述时空几何性质的物理量）通过爱因斯坦引力场方程联系起来，物质在弯曲时空中走短程线。简而言之就是：“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。”

因而，如果物质分布发生变化，就会引起时空弯曲的变化，从而导致引力波，用文学语言可以说引力波是“时空涟漪”，类似于石头在平静湖面激起的水波。 既然时空弯曲告诉物质如何运动，那么原则上引力波带来的时空曲率变化会引起它所在处物质的位置变化。

与电磁波不同，引力波不能被屏蔽，也不会被物质阻隔。由于引力波极其微弱，引起物质的位置变化极其微小，这就是为什么100多年以来没有直接测到引力波的原因。

长江商报：如果引力波不能被屏蔽，那么它是如何被捕捉到的呢？

汪定雄：LIGO的设计思想是引力波到来时会导致4公里长的两个互相垂直的L形激光棒的干涉条纹发生变化。

引力波的直接探测，完成了广义相对论的最后一块拼图

长江商报：从此次探测到的引力波数据中，我们可以读出什么结果?新的突破点在哪里？

汪定雄：这次测量到的引力波信号来自13亿光年的两个恒星级黑洞的并合，这两个黑洞一个质量为29个太阳质量，另一个质量为36个太阳质量，两个黑洞互相绕转，逐渐靠拢最后在极短的时间并合成一个质量为62个太阳质量的黑洞，并合前后的质量差为3个太阳质量，所对应的能量转化为引力波释放出来了。可以说引力波的直接探测完成了广义相对论的最后一块拼图。

除了证明广义相对论是正确的以外，探测引力波的科学意义是人类首次听到来自宇宙深处的“声音”，从而极大促进了引力波天文学和宇宙学的研究。引力波的探测与现实应用之间是有一定距离，回想法拉第在发现电磁感应时，不是也没有立即看到其应用价值吗？另外，各种引力波探测器的研制成功本身也具有重要的科学价值。

再次证明爱因斯坦的一句非常具有哲理的名言：“宇宙中最不可理解的事情是宇宙是可以理解的。”这是人类智慧的胜利。

长江商报：基础科学是辛苦的、严谨的和缓慢的，又是震撼性的、革命性的和催化性的，这是基础科学存在的一个悖论。麻省理工学院校长L.Rafael Reif说：“没有基础科学，最好的设想就无法得到改进，创新只能小打小闹。只有随着基础科学的进步，社会才能进步。”就您所知，目前国内在“引力波”领域的研究处于什么阶段？

汪定雄：国内引力波研究正处于急起直追阶段，目前引力波探测有天琴计划、阿里计划和太极计划。中山大学的天琴计划已于2015年启动。太极计划则是今年2月16日才正式对外宣布启动，它与天琴计划一样同属于空间引力波探测，也就是可以直接探测的引力波。阿里计划则立足于地面设备的探测，用于探测频率最低的原初引力波。其中，太极计划是中欧合作计划，天琴和阿里计划则是我国独立自主的。

长江商报：您长期从事“黑洞吸积盘的演化及其广义相对论效应”研究，是否能从您研究的领域视角，谈谈您的感想？

汪定雄：黑洞吸积盘是天体物理的重要理论模型和能源机制，与引力波没有直接联系。但是两个黑洞的并合过程可能伴随黑洞吸积盘的演化，引力波信号的产生与传播过程也可能伴随电磁辐射信号的产生。现在天文学已进入多信使天文学阶段，需要对来自电磁波、中微子、宇宙线和引力波四大渠道的信息进行综合处理与研究。

长江商报：如果普通大众想要更多地了解理论物理和宇宙方面的知识，有哪些书籍值得推荐？供对此兴趣的中学生和物理爱好者阅读。

汪定雄：天文学是一门古老又年轻的科学，也是一门非常有魅力的科学。天文学是科普的重要领域。随着我国国力的增强，天文观测的投入越来越多，需要大量年轻人加入天文学研究的队伍。

理论物理是物理专业大学生课程，宇宙学是天文专业大学生课程。天文科普是提高国民科学素质的重要方面，在天文科普方面优秀著作有很多，，其中最有影响的是霍金的《时间简史》。《天文爱好者》杂志是一本图文并茂的天文科普杂志，办得很好。腾讯科学有很多天文学信息与视频，适合天文爱好者学习。

汪定雄

男，1946年2月出生。毕业于清华大学工程物理专业。现为华中科技大学物理教授、博士生导师，国际天文学会会员。主要研究黑洞吸积盘的演化及其广义相对论效应，利用磁流体动力学的方法研究黑洞与磁化吸积盘的相互作用。

两个恒星级黑洞产生引力波的过程（从左至右先后经历旋进，并合和静停三个阶段）及对应的引力波曲线。

两个恒星级黑洞并合产生引力波的示意图。

受访者供图

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