这个照片的道具就是德国的类似LIGO的引力波探测器的外筒

文 | 张双南（中国科学院高能物理研究所研究员）

●　●　●

人类探索宇宙的第五个里程碑

2016年2月11号，LIGO宣布探测到了两个黑洞并合产生的引力波，如果最后得到验证，这就是人类探索宇宙的第五个里程碑！前四个里程碑分别是：

（1）400年前伽利略发明了光学望远镜，使得人类的视野得到大大扩展；

（2）上世纪30年代杨斯基发现了银河系的射电辐射，使得人类首次能够在可见光波段以外探索宇宙；

（3）上世纪60-70年代贾克尼使用火箭和卫星发现了太阳系外的第一批X射线源，使得人类首次能够在地球大气层以外探索宇宙；

（4）上世纪80年代末戴维斯和小柴昌俊发现了来自超新星爆发的中微子信号，使得人类首次能够利用电磁波以外的信号探索宇宙。

和前几次不同的是，这一次是人类首次利用一种从来没有被直接探测到的信号——爱因斯坦的广义相对论预言的引力波——探索宇宙，因此这个里程碑的意义就尤为特殊，不但验证了广义相对论的一个关键预言，而且验证了这种探测引力波的原理和技术是正确的，还顺便首次发现了宇宙中的确存在恒星级质量的双黑洞系统，表明打开探索宇宙的这一扇窗口必定会给物理学和天文学带来更多的惊喜和丰硕的成果。

充满诗意地写、写、写

作为科学共同体的一员，我理所当然地很关心引力波探测和这次的LIGO事件。但是由于我本人并没有怎么做引力波的研究，所以就婉拒了所有媒体的邀请撰文解读这件事。

我知道有很多朋友们会写得比我好得多，我写了也是丢人现眼，说不定还会出一些伪科学民科的事故！果然这两天我的朋友圈就被一波又一波的精彩缤纷的文章刷屏了，从专业评论、到科普解读、到个人故事、到娱乐调侃，应有尽有。

谢谢朋友们，好险哪！

当然我也不会不写，只是想自由自在地没有压力地没有命题地天马行空地天真浪漫地充满诗意地写、写、写！

我昨天（2月11号）早晨发到朋友圈的“引力波和纠缠态”里面写道：“北京时间今晚23:30LIGO引力波天文台将要发布新闻，据说是要宣布探测到了引力波信号。没想到我的猴年愿望这么快就要实现了，就用以下几段顺口溜应一下景。”其中前两个顺口溜的确和引力波有关，摘录如下：

引力波和纠缠态

那些年当我还在远方流浪

你的倩影从宇宙深处飘来

也许是爱因斯坦的引力波

在我的心田里一直在荡漾

这些年当我悠悠到了故乡

你的柔声一直回响我耳边

也许是量子力学的纠缠态

在我的周围都是你的气场

这些天当我看到你的模样

你的引力波终于被探测到

也许是波函数还没有塌缩

我们一起激发了那道光芒

我们幸福地并合

不是你的错也不是我的错，

错在世界上不只有你和我！

因此你和我不禁将错就错，

我们就假装那只有你和我！

我们相互吸引跳起双人舞，

这时候宇宙中就只有你我！

靠得越来越近发出引力波，

最终我们幸福地永远并合！

广义相对论是否有缺陷？

我在最近的多个公众报告里面提到搜寻引力波的重要性。因为根据我的美学理论——广义美的判断标准就是“没缺陷不常见”，广义相对论理论是最美的科学理论，首先广义相对论的建立就是为了弥补牛顿理论的两个缺陷，然后广义相对论给我们带来了很多的不常见。从“没缺陷不常见=美”的角度，我认为现在还没有科学理论超出广义相对论（也许和量子力学并驾齐驱）。

但是同样根据我的美学理论，“没缺陷不常见”总是相对的，因此没有最美只有更美，对更美的追求就是社会和科技发展的基本动力。因此要追求更美的科学理论，就必须尽可能地发现现有理论的缺陷，通过弥补已有的缺陷发现新的不常见来发现更美的科学理论。

尽管目前为止尚未发现任何违反广义相对论理论的实验或者观测事实，但是广义相对论的一个可能缺陷，就是其预言的引力波一直未被直接探测到。的确，目前观测到的多个脉冲星（中子星）双星系统的轨道衰减完全符合广义相对论预言的引力波的辐射，但是没有直接探测器引力波信号也让人多少有点担心引力波的辐射是否真的和广义相对论预言的一样？

一瓶茅台的赌

2016年1月16号“北京听道”演讲之前，《知识分子》要我说一下新年的愿望，我说，希望猴年（没说马月）能够看到引力波被直接探测到（见《知识分子》：“你收到一份科学家的猴年告白｜视频”，回复“148”查看）。

2月6号早晨又收到了哈佛大学苏萌发来的电子邮件，透露的信息和昨天（2月11号）公布的引力波探测信息一模一样，剧透的相当彻底。于是我把每年必写的拜年信的题目改成了“我的猴年愿望没有马月，祝福您猴年也心想事成！”

拜年信里面有这一段：“虽然很多人说这事不太靠谱，得等到猴年马月才能探测到引力波，我却信心满满地去掉了马月保留了猴年！(悄悄地说：不过下一个引力波事例恐怕真的得等猴年马月了，和SN1987A超新星中微子类似，虽然诺奖已经给了，大家还在苦苦地等待下一次，再一次印证了没缺陷不常见才是美！）”

上面的“不过下一个引力波事例恐怕真的得等猴年马月了”这句话，我的好朋友王力帆教授不同意，他认为后面噼里啪啦地就会来一批。于是我提议打一个赌：我赌猴年只会正式公布这一例引力波探测事件，赌注是一瓶茅台。王力帆应战，国家天文台薛随建副台长支持王力帆，但是也以科学的精神表示静等结果！

天文学历史上前所未有的错误？

其实我和引力波探测也不是一点缘分都没有。首先引力波探测界有不少我的朋友，我自己还是中国科学院空间引力波探测工作组成员之一。

但是我和引力波探测最有意思的一次接触则是多年前我到Caltech（就是LIGO的奠基和牵头大学）参加他们新校长就职典礼顺访的时候发生的。

当时美国正在做十年天文规划，而空间引力波探测项目LISA和X射线空间天文台Constellation-X处于激烈的竞争。我虽然已经回国，但是我在美国的很多X射线天文的同行还指望Constellation-X立项，所以我是坚定的Constellation-X支持者。

我以前的一个同行Caltech的教授Tom Prince，当时是LISA的项目科学家，我约好了见他。进他办公室他的第一句话就是，我们现在不在同一个领域了，你不会只是来看我吧？我说当然不是，我是来和你讨论引力波探测的话。我把门关上说，我下面要说的话我从来没有对任何人说过，以后也不会公开说：我不认同LISA的计划，甚至我认为LISA项目犯了天文学历史上前所未有的错误！（我用的是“unprecedented mistake in the history of astronomy"）。

Tom立刻张大了嘴，一副缺氧的样子。缓了一会儿说，我知道你的学术观点不但犀利而且经常离经叛道，但是你对LISA的这个批评却是我听到的最严重的批评，道理何在？

我说，我们天文学的历来做法就是：为了探测某一种天文信号（比如X射线），首先造一个仪器在实验室里验证这个仪器的确能够探测到这种信号，然后做一台小的天文仪器先探测到一点天文信号，哪怕是一个X射线光子，然后再逐渐造大的，能力逐渐加强。而LISA计划就是一步登天，耗资10亿甚至几十亿美元，为什么不能先造一个小的LISA，看到一个引力波源之后再造大的？

他回答说，你说的没错，但是我们也有苦衷啊，接着他说了一堆为什么他们没有采取我说的天文学的常规做法、而是直接上大家伙的理由。当然后来的故事我们都知道了，由于LISA耗资巨大，而且缺乏前面的技术验证，美国NASA取消了这个项目。欧洲的ESA正在艰难地推动这个项目，最乐观估计也得十几到二十年之后才能发射运行了。目前中国正在和ESA讨论如何介入加快LISA项目的可能性。

他随后说，地面引力波探测LIGO等项目符合你说的发展路线，他们就是一步步地验证探测器原理，一步步地扩大规模提高精度，如果你们感兴趣引力波探测，应该考虑加入LIGO等项目。

今天LIGO的成功的确不是偶然的，我觉得是遵循科学研究规律的必然结果。

这帮家伙真能自娱自乐

从上世纪70年代开始可行性研究，到90年代正式立项，中间经历过多次的升级改造，一直到这次的GW150914事例，几十年的历程，几代人的努力，大部分人在整个职业生涯都没有像样的论文，而且也没有指望在自己的职业生涯能够亲自体验到最后的成功，而且即使成功了，自己也是上千个作者中的一位，除非名字以A或者Z开头，自己的名字被别人认出来是相当困难的事情。

在这种情况下，除了要大赞人家的资助部门在没有成果的情况下持续支持了这个领域和项目几十年，我也很奇怪几十年来这个领域的科学家怎么能够生存下来而且还发展起来？我曾经把这个问题抛给过我认识的在这个领域的多个朋友们，当然答案是各种各样的，有不少回答说，也就是一份工作啊，只要兢兢业业做了就行啊，有的说反正也就是过渡一下啊，找到更好的工作就走了啊。

但是还真的有不少人就是要这份冒险，想成为“第一团队”的一员，尽管是千分之一的一员。但是毕竟要显示出这个领域的活力，毕竟要吸引年轻人入行，于是就经常凑起来写大型的综述文章（尽管不知道猴年马月才能真的看到引力波），文章的作者名单一律是无穷长。比如我就应邀担任过eLISA项目综述文章的编辑，由于这个领域几乎所有的人都在作者名单上，我折腾了几个月才找到了一个审稿人，又花了几个月才审完了文章。

同样，这个领域的会议也特别多，我偶尔也会去凑热闹，每次看到他们自娱自乐地说各种可能性各种美好的愿望各种美好的前途，都不禁觉得难道我是混进了精神病院？

GW150914就是美猴王

但是这个LIGO事例比他们精心描绘的所有最好的结果都更好！天才和精神病患者有时候是真的不好区分。

毫无疑问，这个LIGO事例又一次验证了广义相对论的没缺陷，而恰好在爱因斯坦发表广义相对论100周年的时候看到这个极端不常见的引力波事件（第一个恒星级质量黑洞双星），又一次说明不但广义相对论继续领跑最美的科学理论，LIGO探测到的这个GW150914引力波事例也是猴年最美的科学成果，堪称“美猴王”。

何时拿诺奖？

很显然LIGO探测到的这个GW150914引力波事例是诺奖级的成果，因为科学界早就有共识，第一次直接探测到引力波应该获得诺贝尔物理学奖。但是我倾向于认为，如果引力波探测的结果仅仅是这个工作，要拿到诺奖恐怕不易！

原因在于，需要有独立的结果或者方法检验或者验证这个结果，或者这个实验发现新的、但是不同的引力波事例。

我前面已经说了，我不认为这个实验能够很快地发现更多的其它类型的引力波事例，原因在于他们看到的恒星级质量双黑洞并合事例应该是非常稀有的，但是恰好这类事例的引力波信号比较强，所以他们看到了。其它类型的引力波事例肯定多得多，但是信号弱，现有的仪器可能看不到。

即使由于我们不理解的原因（这很可能，毕竟绝大部分突破性的科学发现都是预料之外的），恒星级质量双黑洞并合事例很多，但是天文界的一个传统就是：需要找到其它的信号独立验证，比如电磁波信号。

目前尚未看到这个事件的电磁波对应体的明确证据（尽管有微弱证据表明可能看到了和这个事例对应的伽玛射线暴），说明找到这种事件的电磁波对应体可能会比较艰难。关于这件事，我和几个同事们今天在朋友圈里面有过一段激烈的讨论。

事实上，我们曾经写过文章预言这种双黑洞并合不会产生电磁波辐射【参考文献1】，这是文章里面的一段话：“Therefore with full and self-consistent general relativity calculation, we find that the in-falling matter will not accumulate outside the event horizon, and thus the quantum radiation and Gamma Ray bursts predicted in [2] and [3] are not likely to be generated. We predict that only gravitational wave radiation can be produced in the final stage of the merging process of two coalescing black holes. Future simultaneous observations by X-ray telescopes and gravitational wave telescopes shall be able to verify our prediction.” （因此，利用完整和自洽的广义相对论计算，我们发现下落物质不会堆积在黑洞的事件视界外面，因此以前预言的量子辐射和伽玛射线暴【参考文献2，3】不太可能产生。我们预言两个黑洞并合只能产生引力波但是不会产生其它信号。未来同时的X射线和引力波探测将能够验证我们的预言。）

那么，如何才能验证LIGO的结果使得他们能够尽快获得诺贝尔奖呢？这是我们现在开始认真考虑的问题。我相信很快我们就会看到各种各样的建议、方案和理论模型。

探测引力波有什么用？

尽管我婉拒为媒体写文章，还是挡不住有不少人问我，探测引力波有什么用？

这样的问题我其实经常遇到，以后一律采用我前一段在《知识分子》上的一篇文章“从普京发问谈起，到底什么是科学？”（回复“171”查看）里面的开场白回答：

俄罗斯在和德国联合研制一个以暗能量为主要研究目标的空间 X 射线天文卫星。几年前(当时暗能量的研究刚刚兴起)，时任俄罗斯总理的普京在听取了关于这个项目的介绍后，问了两个问题：“暗能量有用吗？暗能量危险吗？”当时一个科学家是这么回答的：“我不知道。不过在100年前，如果你问爱因斯坦相对论是有用还是危险，爱因斯坦一定回答不知道。但是今天我们知道相对论既有用，也危险。”现在，核能、诊断和治疗癌症的加速器、GPS等等都离不开相对论的应用，但核武器也同样是相对论的应用！

张双南

2016年2月12日猴年大年初五于北京家中

参考文献

【1】Y. Liu（刘元）, S. N. Zhang （张双南）, Physics Letter B, 679 (2009) 88–94

【2】T. Vachaspati, D. Stojkovic, L.M. Krauss, Phys. Rev. D 76 (2007) 024005.

【3】 T. Vachaspati, arXiv:0706.1203v1, 2007.

（责任编辑 邓志英）