热门:往届回声｜引力波：呱呱坠地，未来无限

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编者按：第三届世界顶尖科学家论坛将于10月30日-11月1日在上海举行。包括61位诺贝尔奖得主在内，近140位诺贝尔奖、图灵奖、菲尔兹奖、沃尔夫奖、拉斯克奖等全球顶尖科学奖项得主出席。论坛期间将有130余场科学家独立演讲、70余场主题峰会，大部分活动将通过互联网向公众直播。

在过往的两届世界顶尖科学家论坛上，宇宙是科学家绕不开的话题。其中，引力波作为年才被公开验证的预言，立马斩获了年的诺贝尔物理学奖，其重要性不言而喻。

澎湃信息特此整理世界顶尖科学家论坛往届参与者关于引力波的讨论。它的意义绝不仅仅是完成了广义相对论的百年拼图，更是为人类探索宇宙开辟了全新工具。

距离地球13亿光年以外，两个黑洞围绕彼此，旋转起舞。它们的质量分别是太阳的29倍和36倍。随着“死亡之舞”走向尾声，双黑洞的距离越来越近，旋转越来越快，最终碰撞相拥，在不到一秒钟的电光石火间并合成一个62倍太阳质量的新黑洞。

这中间亏损的能量，在宇宙中激起了一串涟漪，在无垠的空间里荡漾来开。这股被称作“引力波”的信号，经过13亿年的漫长旅行，在年9月14日5时51分撞上了位于美国路易斯安那州列文斯顿的激光干涉探测器。7毫秒后，位于华盛顿州汉福德的探测器也接收到了这份讯息。7毫秒，正是两地之间光速穿行所需的时间。

这孪生的两台探测器，构成了“激光干涉引力波天文台”（ligo）的左膀右臂。凭借首次探测到引力波的成就，这个名字注定载入人类科学史册。

32岁的意大利人马尔科·德拉戈（marco drago），全球ligo科学合作组织中的一位博士后，在德国汉诺威的电脑屏幕前第一个看到了这个信号。如果你在网上后听过这段音频，会发现它微弱如秋天的蟋蟀鸣叫。

但它带来的惊喜和震撼，不亚于那一对黑洞的碰撞并合。“引力波”在ligo组织的上千名成员间迅速传递开来。ligo项目的元老之一、83岁的雷纳·韦斯（rainer weiss）当时正在缅因州度假，他登录到系统里看到了信号，不禁惊呼“上帝”。后来，他和基普·索恩、巴里·巴里什（barry barish）分享了年的诺贝尔物理学奖。

这群科学家决策封锁这个惊喜，留到年2月11日向全世界公布。原因很简单，当日是爱因斯坦提出广义相对论的一百周年纪念日。这是物理学家的浪漫。

时空的涟漪

同黑洞一样，引力波也是广义相对论的重要推论。

在广义相对论的叙事中，时间和空间会在质量面前弯曲。时空在伸展和压缩的过程中，会产生振动传递开来，这些振动就是引力波。我们在地球上随时随地都可能遭遇来自宇宙中各种源头的引力波：两个黑洞合并、中子星自转、超新星核塌缩等。然而，即使是像黑洞这样巨大质量的系统相互碰撞、合并，产生的引力波信号传播到地球上也是很微弱的。就连爱因斯坦本人也想象不到，能通过怎样做法测到引力波。

1969年，美国马里拉大学的一位工程学教授韦伯（joe weber）宣称利用自己的谐振条探测到了引力波。韦伯谐振条是两个铝制的圆柱体，分置于马里兰大学校园内和芝加哥附近的阿贡国家实验室内。韦伯认为，这两个谐振条可以像铃铛一样，在接触到引力波时振动，并由周围的传感器转化为电信号。为了排除其他地面震动的影响，谐振条被悬置于真空中。当两个谐振条在微小时间间隔内产生同样的震动，韦伯认为他探测到了引力波。

这个发现让很多物理学家很振奋，但随着大多数人并没有重复出实验结果，韦伯的结果也陷入了无限的争议。但被韦伯所启发的一批物理学家中，有很多终其一生继续追寻引力波，并最终相聚于ligo。

引力波能让时空发生伸缩，但幅度很小。有多小？巴里什在第二届世界顶尖科学家论坛“未来国际大科学论坛”上介绍，是10的负12次方，也就是1000000000000分之一。很多地表上的震动，就会掩盖住这样的一些变化。

因为此，最灵敏的耳朵要在最安静的空间里才能在地球上“听”到引力波。

激光干涉引力波探测仪的基本思路是这样的：两条长度相同的探测臂呈l形放置，在l中间的拐点处放置激光源，沿两条管子各发射一束激光，而在两臂的末端放置一面镜子来反射激光。在真空中，两条并且发射的光束应该并且返回中间拐点相逢，在干涉作用下，光束不会抵达光电探测器。但如果有引力波穿过探测仪，两条真空管中的空间会出现微小的拉伸与压缩，两条光束就会出现光程差，从而外泄到光电探测器上。

思路很清晰，操作起来并不简单。除了科学方案的设计，还牵涉项目经费和团队管理的纠葛。

1984年，美国国家自然科学基金（nsf）出于经费方面的考虑，要求将麻省理工和加州理工的两个独立的引力波探测项目合并成一个，并与当时国际上其他引力波探测团队合作，比如德国的加兴团队和苏格兰的格拉斯哥大学团队，这就是ligo的雏形。

然而，由于管理者之间的分歧，整个项目在此后的10年内都深陷泥潭，举步维艰。当时的负责人轻视nsf的监管，拒绝提供一份详细的从业计划，并把整个团队维持在捉襟见肘的小规模。

1994年，从破产的美国超级超导对撞机项目中退出的巴里什接任ligo项目的负责人。此时，项目宛如一潭死水。这个温和的内布拉斯加人都对ligo进行了秋风扫落叶通常的改造。

巴里什在数月内给出了nsf想要的详细计划。他改善了项目的基础装置，比如干涉仪的真空腔，在两个ligo岗哨安排了常驻科研人员，并为后续的升级改造设立了稳定的研发项目。

这个新方案被nsf接受，以3.95亿美元打破了当时nsf的单项投资纪录。随后，两个干涉仪破土动工。

在人员方面，巴里什把ligo项目拓展到了加州理工和麻省理工之外。1997年，他创立了ligo科学联盟，吸引数以千计的外界科学家参与。

1999年，ligo竣工。2002年，ligo开始接收数据。2005年，巴里什离开ligo，前往筹备国际直线对撞机。在离开之前，巴里什留下了一份关键的升级方案。

年，ligo终于达到了那个关键的精度：10的负12次方。万事俱备，只等宇宙中那一阵风。

宇宙的信使

看到这里，你可能还没有完全理解引力波探测的意义。它绝非一次不重复填补上广义相对论的最后一块拼图，然后盖棺定论。

引力波，可以是工具。虽然在第二届顶尖科学家论坛的“黑洞与空天科技峰会”上，当观众好奇提问引力波能否用于通讯，亚当·里斯（adam riess）等科学家否认了短期之内的可行性，但引力波为了解宇宙打开了一扇新的窗口。

引力波在短短2年内造成的第二次热潮，就是最好的说明。

年10月16日，在提前甩出一则重磅预警，吊足了全世界的口味之后。美国国家航空航天局（nasa）、欧洲南方天文台、南京紫金山天文台、英国科技设备委员会、法国国家科学研究中心等全球数十家科学机构终于联合宣布了重大成果：从约1.3亿光年外，科学家们首次探测到壮丽的双中子星并合产生的引力波，及其光学对应体。

当一个恒星走向寿命尽头，经由引力坍缩发生超新星爆炸，根据质量的不同，内核可能被压缩成白矮星、中子星或黑洞。中子星几乎完全由中子构成，是目前已知的最小、致密的恒星。中子和质子一样，都是组成原子的粒子，但呈电中性，比质子略大。

中子星的密度有多大？一茶匙重达10亿吨。它们的半径普遍在10公里左右，质量却可超过两个太阳。

当然，这样的质量相比起来黑洞来讲是，小巫见大巫。中子星激起的引力波因为此也更为微弱，更难被探测到。

除了技术上的进步令人惊喜，这次引力波事情还解开了天文学界一桩兴趣的悬案：金子从何而来。

巴里什介绍道，在一开始设计建造ligo项目的时候，万万没想到还会带来这些引力波以外的收获。

宇宙早期只有氢、氦等氢元素，一颗恒星的命运就从这里开始。在恒星随后的演化过程中，随着核聚变反应，质子数更高的重元素得以生成。然而，宇宙天然的核聚变，最重只能产生到包含26个质子的铁元素。这是因为，铁元素的核子结合能到达了一个顶峰，把其中的质子和中子拆开，需要极高的能量，恒心内部这个“炼金炉”，并不能满足。

科学家们一度认为，恒星寿命末期的超新星爆炸，足够提供这种能量。然而，这个假设逐渐被后续的发现击破。

宇宙需要一个更大、更热的炼金炉。

在过去几年间，天文物理学家们开始形成主流认知：中子星并合是最有说服力的机制。

两颗中子星围绕共同的中心旋转，就构成了一个双中子星系统。它们在旋转过程中会不断释放引力波，导致系统的能量降低，轨道缩小，并最终撞在一起，发生并合。科学家们现在还不明确并合后的形态，很可能是一个黑洞。

超铁元素就诞生在此时。双中子星并合时不断甩出一点中子星碎块——大部分是中子，少数是质子。

在碰撞发生的一秒钟内，这些中子星碎块扩散到数十公里开外，形成一团与太阳密度相当的云。在这个“炼金炉”中，中子和质子们互相俘获，形成大量富含中子的不稳定的同位素。中子会迅速衰变为质子，形成金等重元素。

据估计，中子星的一次碰撞，能够形成足有300个地球那么重的黄金。这些 “宇宙焰火”的余烬，被撒入广袤无垠的宇宙，其中一部分在46亿年前与地球凝为一体。它们又被开采锻铸，成为人类手中的金币，项上的首饰……

这次为中子星并合形成重元素提供重要佐证的，就是并合后的光点颜色由蓝变红，与理论模型预测相吻合。

这个越来越红的光点，就来自“光学对应体”：li-paczynski macronova（巨新星）。该现象由1998年首次预言的中国天文学家、北京大学教授李立新及其已故的合作者bodhan paczynski共同命名。

除了可见光和红外线外，中子星并合时形成的吸积盘会在旋转轴处形成伽马短暴，该信号在引力波到达地球2秒钟之后也被观测到。在其后数周内，这场大并合仍会继续发出其他频段的光，包括x射线、紫外线、可见光、红外线以及射电波等，是“宇宙焰火”漫长的余晖。

回到事情的开头。在这场“炼金”的“宇宙焰火”中，引力波扮演了怎样的角色呢？

原来，前面提到的可见光、红外线、紫外线、x射线、伽玛射线等，都是电磁波，是由光子承载的光学信号。长时间以来，这几乎是科学家们用于感知宇宙的唯一一扇窗口。

年，ligo探测到的是黑洞触发的引力波。黑洞吸收光线，可谓“听到看不着”。这次，ligo在识别出比黑洞质量小得多的天体——中子星触发的引力波信号后，全球70多架望远镜纷纷指向1.3亿光年外的ngc 4993星系，观看“焰火”。

从此，人类对浩瀚宇宙的感知方法，从单纯的“看”之外，又增添了一种，可相互印证。科学家们称之为，“多信使天文学”时代。

这或许比我们找到金子的起源更为重要。

引力波的国际派对

如果说引力波第一次上头条是ligo的独角戏，那第二次盛宴已经是国际合作的派对。

欧洲的室女座（virgo）引力波天文台是第一个入场的。它由法国、意大利、荷兰、波兰、匈牙利和西班牙6国科学家共同参与，于2003年在意大利比萨附近的小镇卡希纳落成。

经过多年的升级改造，“先进virgo”天文台在年8月联合ligo探测到一次黑洞碰撞引力波事情。

第三个观测台的加入使探测精度大大提高，锁定的事情发生区域只有60平方度，比只有ligo的两个观测台时缩小了90%。

在亚洲方面，日本先行一步，神冈引力波探测设施（kagra）于年正式启动，位于日本富山市岐阜县神冈山中。这将是国际上首个低温地下引力波探测器。

神冈引力波探测设施的建设目前已经进入尾声阶段，预计将在今年年底正式运行并参与ligo-virgo国际联测。

印度原子能部和科技部则在年3月与ligo签署了一份合作备忘录。根据该协议，加州理工学院和麻省理工学院将为印度提供ligo的完善硬件和设计技术资料，并为配套基础设施的安装调试提供培训和帮助。

印度负责提供建设引力波天文台的场地、真空系统和其他基础设施，以及安装所需的所有劳动力、材料和物资。

这座位于印度西部马哈拉施特拉邦的新格里县的indigo几乎是ligo的翻版，预计耗资1.77亿美元，将在2025年前完工。

目前，中国的引力波探测力量首要向太空部署，即由三颗卫星在轨道上编队成等边三角形，形成上万公里长的干涉臂，具体包括中山大学牵头的“天琴计划”和中国科学院牵头的“太极计划”两个方案。

年9月20日，中国科学院副院长相里斌在新闻发表会上透露，中国首颗空间引力波探测技术实验卫星自年8月31日成功发射以来，状态正常，第一阶段在轨测试任务顺利完成。将该微重力技术实验卫星正式得名“太极一号”。

“太极一号”首席科学家吴岳良相信，这为中国在2030年前后实施“太极计划”第三步、在空间引力波探测行业率先取得突破奠定了基础。

巴里什同样看好中国的空间引力波探测行业后发制人。

巴里什认为，与过去相比，现在引力波探测项目想要拿到政府的扶持资金会容易得多，ligo的成果彻底颠覆了这个行业的格局。

“ligo那时候是个高风险的实验性项目，我们也不能打包票我们一定能探测到什么，前前后后花了十多亿美元，最后可能是打水漂的。当然最后结局是好的。这表明，美国政府是乐意在科学方面冒险投资的。在科学上，欲成大事，必冒风险。” 巴里什称。

不过，考虑到ligo在地面引力波探测上的领先特点巨大，巴里什认为，现在多个国家单独树立自己的地面引力波探测项目既不容易，也无必要。他说：“建设引力波探测项目涉及到很多方面的知识和技术，我们这么多年走过来，知道这有多么不容易。”并且，他表示ligo在世界范围内开放合作，如果别的国家现在想进入地面引力波探测行业，和ligo合作可能是一个比较好的选择。

空间引力波探测反而孕育着巨大机遇，尤其对于新进入引力波探测行业的国家来说。他提到，由于nasa在哈勃太空望远镜的未来继任者——詹姆斯·韦伯太空望远镜的研发上消费远超预期，美国政府已无力支持再越来越多的太空项目，空间引力波项目也因为此于五年前搁浅。目前，美国在这方面寻求与欧洲空间局的elisa项目合作，但首要还是欧洲方面在主导，进展相对缓慢。

巴里什十分看好中国在空间探测行业的快速发展：“中国如果想在时间轴上与elisa赛跑，甚至超过elisa，并不困难。”

他甚至已经预见到未来这一行业的繁荣景象：“现在要想研究天文物理，肯定要快速发展引力波项目。”他认为，在未来数十年甚至数百年里，这个行业将会不断出现新的成果，“它现在只是个新生儿而已。”

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