诺奖得主联合报告：LIGO与引力波的发现(基普-索恩)

基普?索恩（摄影：慕梁）

　　新浪科技讯 北京时间12月17日下午消息，2017“复旦-中植科学奖”颁奖典礼暨第三届复旦科技创新论坛今日在上海举行，今年诺贝尔物理学奖得主雷纳?韦斯（Rainer Weiss）、基普?索恩（Kip Stephen Thorne）和巴里?巴里什（Barry Clark Barish）是2017“复旦-中植科学奖”的获奖人，以表彰他们在引力波方面的研究。

　　著名科学家丁肇中在台上致颁奖词时表示，三位科学家捕捉到了天体运行过程中的特殊性，为未来引力波和重力研究相关学科进一步拓展基础。

　　在接受“复旦-中植科学奖”之后，三位科学家为大家做了联合报告“LIGO与引力波的发现”。基普?索恩教授第三个上台，介绍了引力波研究的未来。

　　以下为基普?索恩报告全文（速记根据同传录音整理，未经审定）：





　　首先我们谈一谈历史，然后再展望未来。回到1972年，我和我的科研小组在研究引力波和电磁波的区别。首先我们要知道，电磁波和引力波之间的一个区别。平时我们非常熟悉的，包括无线射频，可见光等等在内的一些，包括伽马射线电磁波和我们引力波区别在哪里，只有把他们区分好，我们才可以讨论引力波。



　　第一，从电磁波角度来说，通过电磁感应进行传递。而引力波的话，它是通过你所处的时空本身的震荡来加以传播。第二，电磁波在天体物理学当中的表现，基本都是不相干的，或者他们是通过一些个体的颗粒，电子，或者说是原子以及一些分子的重叠、交替，进行不相干的发射。而对于引力波来说，他们是通过质量和能源，比如说大家所熟知的黑洞的合并或者碰撞，这些方面进行相干的发射。

　　第三个，最大的区别，电磁波它是非常容易被吸收的，或者容易被散射的。在我们的宇宙星空当中，星际当中，都可以通过这种方式来进行散射。但是引力波本身基本不会被吸收。他们即使遇到任何质量的物体，都会几乎熟视无睹，并且加以穿透，接近我们大爆炸初期。所以它的影响，对我们来说启发是什么？首先许多引力波的来源，并不一定通过电磁波散射的方式进行了解和把握的，同时我们也知道在整个过程当中，尤其要让这样一个科学成为现实的话，有许多惊奇或者让人意想不到的地方。



　　我们都知道，科学的进步，永远是伴随着很多出其不意的意外，但是这样一种意外或者惊奇，或者不可测，正是驱动着我们研究的兴趣，所以我们做了初期的研究。麻省理工的韦斯教授，是做探测的第一人。这是他当时设置的装置，当时我们遇到最大的问题就是噪声控制的问题。所以，他提出了如何去解决这些噪声的问题，对于噪声加以处置的问题。

　　因为你的干涉臂只有四公里左右，所以在这么短的区域当中，在很短的干涉臂当中，要对引力波进行探测，是非常难的，尤其是对于一些具体的物理指标进行探测，特别是要对噪声源进行隔绝，这是非常难的，在当时几乎不可能。



　　当时大家普遍认为，并不是一个非常值得去实施的概念，因为有很多的噪声无法去除，所以会影响实验的精度。在我和Wheeler和Misner写的教材书中，我也写道，激光干涉不是很有希望。但是我研究了韦斯1972年所发表的论文，这是他当时论文的草案。他讲到了如何通过对装置进行调整来控制噪音。他在麻省理工内部刊物当中，首次发表了这个观点。他相信，直到他的探测器能够在未来真正探测到引力波之后，才可以真正在公开场合发布这个成果，而不是抢先发布研究成果，虽然他现在的研究成果和他四十年以前所谈论的技术和想法是一样的。我看了这一篇论文之后，我被他的观点说服，我觉得我一定要尽全力，帮助实验者取得实验的进步，推动实验的发展。





　　所以当时我们在加州理工学院建立起一个实验中心。之后，到了1984年的时候，有了美国自然科学基金会的支持之后，我们形成了三巨头，当时的话，LIGO工作项目小组当中，领头羊就是呈现在大家面前的三位，共同构成了当时的领导小组。同时真正形成了团队探索LIGO的平台。和其他大的项目相比，在管理方面，我们非常糟糕。我们推进的速度非常慢，出成果的速度也不是很快，所以我们必须要有一个领导者，能够更好把整个团队每一个工作进行整合协调。



　　这时非常奇迹般地出现了巴里?巴里什这位教授，他拯救了我们的梦想。在我们团队岌岌可危，即将倒塌的时候，他的出现，挽救了团队，挽救了我们的项目，使我们的LIGO项目，能够真正地在高度协调整合的基础之上，向前推进。他加入之后，在他的带领下，其实我们团队在不断扩充，他刚来的时候，全球加入到我们这个团队做研究开发的只有50个工程技术人员，但是他意识到如果人不够，这个项目没有办法推进。所以在他的带领下，马上进行招兵买马，把团队拓展到千人以上，涉及到19个机构，18个国家许多不同的技术人员和工程人员参与，极大地提升了我们研究的效率，推动了成果的产生。







　　这是一个黑洞，大家很清楚，当中什么都没有，大家也无法进行探测。而在黑洞和外界交界的地方，我们都知道，由于引力的作用，会进行吸收和内旋的情况出现。大家看到的这个图，这是双黑洞互相旋进，并且互相进行合并之后，开始合二为一的这么一个状况，大家理论上可以从肉眼当中看到的苍穹，你可以看到，它们两个开始进行共舞，两个黑洞呈现出这样一个共舞的局面。这个大家了解一下，什么叫做双黑洞天体。但是其实在实际当中，它没有办法很好的告诉我们，从爱因斯坦的广义相对论的角度来讲，这是由质量和能量所构成的。我们需要有一个方法来更好地对这样一个过程进行可视化的展现。



　　比如说把黑洞的运动轨迹进行展现，从上面进行观察，会出现一个什么情况？你会看到两个像漏洞状的物体，两个重质量的物体，在时空当中，构成了扭曲，进行了塌陷，或者实现了内凹，这个内凹之前你没有办法看到，也是违背我们经典物理学的原理。所以我们可以从这个纬度，看到两个黑洞，怎么进行运动。大家可以看到，这是两个黑洞在互相内旋过程当中，形成的巨大漩涡。同时两者合二为一，形成巨浪，这是一个比喻的说法，把时空进行扯裂，形成螯合，形成一个新的时空。你从更加广义的角度来看，你可以看见他们在合并的过程当中，会形成引力波。

　　而所有这些质量，在整个的合并过程当中，有一些质量，可以被保留，但是有大部分的质量，将会被抛出，并且被转化成能量，以引力波的形式向外辐射。可能整个的能量释放是非常持续的，远远超过我们几十个宇宙中可见光的能量能够产生的巨大的能量。在短短的几毫秒之内，就能够释放出巨大的能量，引力波就带着这么大的能量，在1.3亿光年以外，向地球进行传播。



　　LIGO，其实我们可以看到的东西，远远比我们到现在为止所看到的东西更多。这是我们做一个未来的展望的一张幻灯片，未来的探测器，需要克服宏观检验微量的量子力学不确定性。在这个过程当中，有很多专业的技术问题，仍然有待克服和解决。











　　我们之前提到多信史的天体物理学的扩展，能够给我们带来更大的挑战。比如，单个脉冲星会发出引力波。在黑洞和中子星之间，如果产生合并，也会带来引力波。当然在超星内迸发当中，也会产生引力波。我们今天不想讲太多，因为我们有很多问题需要解决。所有这些，都会给我们带来一个持续的惊喜。我们也会对未来充满信心。











　　最后，在未来十五年当中，至少在未来十五到二十年当中，预计会有四波引力波的观察窗口。有四个不同的窗口可以探测宇宙当中的引力波。不管你是做微波还是做光，还是做其他的任何的侧面的研究，我们在未来最多十五到二十年当中，可以看到这四个窗口的出现。比如说LIGO在2015年，已经可以看到简单的引力波，LISA可以在2030年，达到小时数和分钟的观测。2020年的PTA，当然看到更加遥远的天体，需要做一些CMB的偏振观测，我们可能在2020年至2025年之间可以获得一个推动。





　　简单来说，在低频波动之间，会有LISA，也就是通过我们这样一个空间引力波的天线的探测，到2030年之前，我们能够获得相应的以天地作为舞台的引力波的探测。这个探测器的干涉臂或者探测臂会更长。和LIGO相比，它探测的精度、准度，以及它工作平台的广度会大得多，那个时候我们可以看到更为精确的，更为详细的，整个天体物理在相互作用的过程当中，所产生的一些具体的现象。这是一个小的黑洞，小黑洞和大黑洞之间进行缠绕和合并之后，产生的一个形象。我们也可以到了那个时候，通过LISA的工作，基本进行几何模型的复原和再现我们整个引力波在两个黑洞互相纠缠和合并的过程当中，产生的引力波传播的具体情况。



　　就好比天文学家也已经对火星表面进行测绘，未来那个时候，我们对黑洞的绘像会更加准确。我们对探索脉冲星的观测，如果能够被充分利用，我们也可以在未来几年用来观测低频引力波，通过脉冲星准确的报时和计时的功能，可以精确地记录引力波的影响。所有这些脉冲星发出的无线电波，由于会受到引力波的影响，他们也会出现一些变动，到那个时候，我们就有可能对这些偏动和偏差，来进行精确的记录。



　　之前已经说了，在宇宙形成最开始10的负21次方一秒当中，可以看到很多力都在起作用，包括电磁力和弱的力互相统一。在不同的区域当中，大家看到这些力量进行分化和组合，这些原初力是怎么来的，就是通过这两种力原初的合并，并且来产生出我们现在预计LISA能够探测出的新的背景辐射。







　　最后，我们一直在讲大爆炸，在我们量子物理学当中，经常讲宇宙爆炸期10的负33次方一秒当中，发生了一些什么，这个是一个波段，所能够告诉我们的故事。根据我们的理论，在这样一个爆炸过程当中，会产生引力波，这样一个引力波，会在整个宇宙空间，进行传播。在整个宇宙诞生38万年之后，因为宇宙炙热的物质不断的冷却，所以产生了电磁波。这个电磁波现在在传播的时候，就被以微波的形式吸收，通过对引力波和电磁波结合性的研究，我们就能够了解，在大爆炸初期所发生的一些情况，以及在宇宙的爆炸阶段，可能会出现的一些有趣的过程。

　　现在我们对于宇宙大爆炸以及宇宙爆炸期间的事情，只能进行猜测，没有具体的信息可供我们探测。理论物理学家和实验物理学家，也希望能够通过引力波的研究，能够了解到宇宙大爆炸初期以及爆炸阶段，究竟发生了什么事情。

　　四百年前，我们知道，伽利略将一个小小的望远镜指向了天空，看到了木星的卫星。两年以前，LIGO或者我们的高清LIGO上线之后，捕捉到了两个黑洞结合产生的引力波，对于宇宙的理解和了解，确实我们已经有了很大的进步。从伽利略时代一直到现在，整个天文学有了巨大的进步。大家可以猜想一下，在接下来的四百年里面，有了引力波的参与，我们将会对宇宙的认识，有了怎样的进一步的推进，谢谢。

　　附：2017“复旦-中植科学奖”获奖人基普?索恩介绍

　　基普?史蒂芬?索恩被授予复旦-中植科学奖，因其奠定了引力波探测的理论基础，开创了引力波波形计算以及数据分析的研究方向，并对LIGO仪器科学做出了重要贡献，特别是提出了量子计量学理论的一系列基本概念。

　　基普?索恩教授是理论物理学家，研究领域为广义相对论。他发现了可能发射引力波的天体物理系统，描述了其引力波信号的特点，估计了信号强度，并且推动了对引力波信号的计算和分析方法的研究。尤为重要的是，他在早期就意识到了用电脑求解广义相对论中的爱因斯坦方程的重要性，即数值相对论。经过几十年的努力，就在成功探测到引力波的前几年，他的研究获得成功，这对发现、解释两黑洞合并的信号有着举足轻重的作用。

　　索恩教授是美国国家科学院、美国人文与科学院、俄罗斯科学院的成员。他曾获得美国物理协会颁发的利林费尔德奖、德国天文学会颁发的卡尔?史瓦西奖、阿尔伯特?爱因斯坦协会颁发的阿尔伯特?爱因斯坦奖奖章，并与另外两位科学家共同获得2017年诺贝尔物理学奖。