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假如一個(gè)年輕人，他覺(jué)得自己一生的目的就是要做革命性的發(fā)展的話，他應(yīng)該去學(xué)習(xí)天文物理學(xué)。 ——楊振寧 
撰文 | 瞿立建 編輯 | 小賽 2019年8月14日，人類又雙叒叕探測(cè)到引力波了。引力波新聞不奇怪呀。從2016年春節(jié)到現(xiàn)在，發(fā)現(xiàn)引力波的消息不斷傳來(lái)。引力波探測(cè)器建好了，它就在那里，不遠(yuǎn)不近，找引力波不是科學(xué)家的例行工作嗎？每次發(fā)現(xiàn)引力波都是新聞，是不是故意在刷存在感？引力波直接觀測(cè)才剛剛開始4年，每次都是新穎的發(fā)現(xiàn)，都是令人興奮的新聞，至少值得科學(xué)家興奮。以前探測(cè)到的引力波要么來(lái)自兩個(gè)黑洞的合并，要么來(lái)自兩個(gè)中子星的合并，這次不一樣，這次引力波來(lái)自一個(gè)黑洞和一個(gè)中子星的合并。事不過(guò)三。集齊三種引力波事件，可以召喚一種新型的觀測(cè)天文學(xué)——引力波天文學(xué)。觀測(cè)天體新手段 2016年，我們歡度春節(jié)的時(shí)候，地球另一邊的美國(guó)發(fā)布了一條重磅新聞——人類首次直接探測(cè)到引力波。這次引力波事件是在2015年9月14日探測(cè)到的，來(lái)自兩個(gè)黑洞的合并。 這也是天文學(xué)上的大事件，但沒(méi)有為天文觀測(cè)帶來(lái)展現(xiàn)身手的機(jī)會(huì)。黑洞劇烈合并輻射引力波，但是黑洞不發(fā)光，這讓全世界的望遠(yuǎn)鏡干瞪眼。引力波盛宴，只是引力波探測(cè)裝置的獨(dú)食。
2017年10月16日，三位科學(xué)家因引力波獲得諾貝爾獎(jiǎng)之后十余天，美國(guó)正式宣布第六次引力波事件。這次事件不一樣。以前公布的5次引力波事件都來(lái)自兩個(gè)黑洞的合并，而這次的信號(hào)則來(lái)自兩個(gè)中子星的合并。這次事件中輻射出各波段的電磁波，給了七大洲和太空中70多座望遠(yuǎn)鏡大顯身手的機(jī)會(huì)。我國(guó)的南極巡天望遠(yuǎn)鏡AST3-2、第一顆空間X射線天文衛(wèi)星“慧眼”望遠(yuǎn)鏡也參與其中。
最后的論文署名作者近4000人，署名單位超過(guò)900家。新聞發(fā)布會(huì)當(dāng)天，相關(guān)論文噴涌而出，包括近100篇預(yù)印本文章，8篇Science，6篇Nature，《天體物理雜志快報(bào)》（The Astrophysical Journal Letters）出了一期?？?，發(fā)表32篇論文。
中子星合并引力波藝術(shù)圖 這次引力波事件于2017年8月17日被美國(guó)的激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）與歐洲的室女座干涉儀（VIRGO）檢測(cè)到。信號(hào)特征顯示，這次接收到的是一個(gè)全新的引力波——以前檢測(cè)到的引力波持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)也就一兩秒鐘，這次持續(xù)了約100秒。而且，這次引力波的能量明顯更低。種種跡象顯示，這次引力波并不像以前的引力波一樣源自黑洞合并，它很可能來(lái)自中子星合并。這個(gè)全新的引力波信號(hào)被接收到約1.7秒后，兩家空間望遠(yuǎn)鏡，NASA的費(fèi)米伽瑪射線空間望遠(yuǎn)鏡和歐洲宇航局的國(guó)際伽瑪射線天體物理實(shí)驗(yàn)室，相繼探測(cè)到同一個(gè)伽瑪射線暴，持續(xù)時(shí)間約兩秒。引力波和伽瑪射線暴，二者在時(shí)間和空間上一致，應(yīng)具有相關(guān)性。全球各地的天文學(xué)家們聞風(fēng)而動(dòng)，全世界各地的望遠(yuǎn)鏡開始了忙碌的觀測(cè)，各波段的望遠(yuǎn)鏡都得以大顯身手。綜合各種觀測(cè)數(shù)據(jù)，最終確認(rèn)，這次引力波事件源自距離地球1.3億光年處的兩個(gè)中子星的碰撞和合并。也就是說(shuō)，這個(gè)事件發(fā)生在1.3億年前，當(dāng)時(shí)統(tǒng)治地球的還是恐龍。這兩顆中子星碰撞之后成為了天文學(xué)家的金礦，不僅是修辭意義上的金礦，還是字面意義上的金礦。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這兩顆中子星的合并生成金、鉑（俗稱白金）等重元素，這是“重元素形成于中子星合并”這一假說(shuō)的第一個(gè)堅(jiān)實(shí)證據(jù)。這是全球天文學(xué)家的完美合作，這是多種天文觀測(cè)手段的完美合作，是所謂“多信使天文學(xué)”的重大突破。這里的信使是指天文觀測(cè)的信號(hào)，以往有電磁波、中微子、宇宙射線，現(xiàn)在引力波成為這個(gè)列表的新成員。2017年的引力波事件中，多信使天文學(xué)讓人欣賞到了兩顆中子星共舞的終曲，而2019年的引力波事件，則給天文學(xué)家?guī)?lái)一個(gè)一窺中子星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的機(jī)會(huì)。中子星內(nèi)部是什么樣的？沒(méi)有人知道?？茖W(xué)家猜想，中子星內(nèi)部是一鍋面食。緊挨著殼層是球形的原子核，像面疙瘩。再往里，壓強(qiáng)增大，面疙瘩被壓成長(zhǎng)管狀結(jié)構(gòu)，像意大利面。再往中子星內(nèi)部，面條被壓成千層面。這就是中子星結(jié)構(gòu)的主流理論，如果這個(gè)理論出自陜西科學(xué)家之手，以上結(jié)構(gòu)或許會(huì)稱為麻食、手搟面、肉夾饃。不過(guò)中子星面食我們可吃不動(dòng)，比鋼硬100億倍。
中子星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模擬，從左之后依次為面疙瘩、苗條、千層面結(jié)構(gòu)。（圖源：sciencenews.org） 想要檢驗(yàn)中子星內(nèi)部是不是一鍋面食，我們不可能在地球上做一個(gè)中子星出來(lái)細(xì)細(xì)研究。那該怎么辦呢？黑洞和中子星合并發(fā)出的引力波，為我們檢驗(yàn)中子星面食理論帶來(lái)了可能。中子星可能會(huì)被扭曲，這種扭曲會(huì)體現(xiàn)在引力波信號(hào)中，分析引力波信號(hào)，可推斷出中子星面食理論的合理程度。中子星、黑洞之間三種合并方式輻射的引力波都已經(jīng)被檢測(cè)到，這極大豐富了天文學(xué)家對(duì)天體的理解和認(rèn)識(shí)。不過(guò)，天文學(xué)家翹首以盼的一種可能的引力波還沒(méi)有被檢測(cè)到，那就是超新星爆發(fā)所產(chǎn)生的引力波。超新星是某些恒星在壽命接近終結(jié)時(shí)經(jīng)歷的一種劇烈爆炸。超新星所產(chǎn)生的引力波比較弱，但如果發(fā)生在銀河系內(nèi)，還是有可能被檢測(cè)到的。電磁波天文學(xué)和中微子天文學(xué)只能讓天文學(xué)家了解恒星爆炸初始階段的樣子，還主要是靜態(tài)的信息，而引力波信號(hào)可以給天文學(xué)家呈現(xiàn)出恒星爆炸全過(guò)程錄像。
超新星遺跡多波段合成照片（圖源：維基百科） 觀測(cè)天體，引力波天文學(xué)一出山就立下大功，未來(lái)更大有可為。理論發(fā)展新機(jī)遇 引力波是愛因斯坦的廣義相對(duì)論的光輝預(yù)言，引力波被直接檢測(cè)到是廣義相對(duì)論的巨大成功。那廣義相對(duì)論就是關(guān)于宇宙天體的終極理論嗎？ 廣義相對(duì)論與物理學(xué)中另一個(gè)極為成功的理論——量子理論有著尖銳的矛盾。量子理論是關(guān)于原子和亞原子的理論。廣義相對(duì)論里，世界是彎曲時(shí)空，所有東西都是連續(xù)的，而在量子論里，世界是不連續(xù)的能量量子躍動(dòng)的平直空間。讓人覺(jué)得物理學(xué)家精神分裂。如何使二者相容？這是物理正面臨的最深?yuàn)W的問(wèn)題之一。
20世紀(jì)物理學(xué)的兩顆明珠——廣義相對(duì)論和量子理論相互矛盾，讓人覺(jué)得物理學(xué)家精神分裂（圖源：Forbes） 一種方式就是像愛因斯坦建立相對(duì)論一樣，苦心孤詣地推導(dǎo)演算，矢志提出一種理論調(diào)和廣義相對(duì)論與量子力學(xué)。很多理論應(yīng)運(yùn)而生，如弦論、圈量子引力，不下30種。但這種“愛因斯坦”式的純理論推導(dǎo)并不是物理學(xué)家傳統(tǒng)的工作方式。傳統(tǒng)上，研究問(wèn)題要從物理現(xiàn)象、物理事實(shí)出發(fā)，如上個(gè)世紀(jì)之交量子理論的誕生。能不能從物理現(xiàn)象中尋找到啟發(fā)，由此探索能將廣義相對(duì)論與量子力學(xué)相容的新理論？物理學(xué)家也想啊，但是做不到啊，這要求我們回望到宇宙誕生初期，而靠電磁波只能追溯到宇宙誕生38萬(wàn)年后，所以想通過(guò)電磁信號(hào)洞察宇宙誕生初期的樣子，根本沒(méi)戲。
靠電磁波信號(hào)，追溯到宇宙誕生初期的樣子，是不可能的。
宇宙大爆炸后宇宙暴脹階段也會(huì)產(chǎn)生引力波，這叫做原初引力波。原初引力波演化到今天已經(jīng)很弱了，但還是可以想辦法測(cè)量出來(lái)。引力波是廣義相對(duì)論現(xiàn)象，宇宙暴脹是量子現(xiàn)象，原初引力波可以將二者聯(lián)系起來(lái)，一旦檢測(cè)出原初引力波的樣子，就有可能推斷出宇宙創(chuàng)生的歷程中的一些信息，尤其是推斷出引力是如何出現(xiàn)的，進(jìn)而就有線索找到統(tǒng)一相對(duì)論與量子論的理論。
大爆炸和原初引力波（圖源：universetoday.com） 甚至更進(jìn)一步，隨著原初引力波往宇宙起點(diǎn)追溯，洞察出宇宙四種基本作用力如何融合為一種基本作用力，這就有可能指引物理學(xué)家找到大統(tǒng)一理論，完成愛因斯坦的未竟之夢(mèng)。天文技術(shù)新跨越 要使引力波天文學(xué)發(fā)揮以上提到的威力，需要營(yíng)建更尖端的引力波觀測(cè)設(shè)施。很多設(shè)施已經(jīng)在推進(jìn)中。 
LIGO位于華盛頓州漢福德的激光干涉儀（圖源：維基百科） 目前正在工作中的引力波探測(cè)裝置有三個(gè)，其中兩個(gè)屬于美國(guó)的激光干涉引力波探測(cè)器（LIGO），另一個(gè)屬于歐洲的室女座引力波探測(cè)器（Virgo）。LIGO將在未來(lái)幾年內(nèi)再次升級(jí)改造，將靈敏度再提高一倍。
Virgo的激光干涉儀（圖源：LIGO網(wǎng)站） 不過(guò)，LIGO和Virgo繼續(xù)改進(jìn)的空間很有限了。下一代更大更精密的引力波探測(cè)器已經(jīng)在建設(shè)或計(jì)劃中了。
日本的神岡引力波探測(cè)器（圖源：wikipedia） 有望在2019年末投入運(yùn)行的探測(cè)器是日本的神岡引力波探測(cè)器（KAGRA），這將是世界上第一個(gè)位于地下的引力波探測(cè)器，屏蔽噪音和振動(dòng)的能力空前提高，這個(gè)裝置另一改進(jìn)之處在于，反射鏡置于超低溫條件下，進(jìn)一步增強(qiáng)靈敏度和信噪比。歐洲正在建設(shè)世界上第一座位于太空中的引力波探測(cè)器——激光干涉空間天線（LISA），計(jì)劃在2034年發(fā)射升空。在太空探測(cè)引力波，可以徹底消除地面震動(dòng)噪聲的干擾，便于探測(cè)低頻引力波。
LISA的藝術(shù)概念圖（圖源：維基百科） 中國(guó)大手筆推進(jìn)引力波研究，出手就是三個(gè)大的項(xiàng)目，阿里計(jì)劃、天琴計(jì)劃、太極計(jì)劃，地面和太空兩路并進(jìn)。阿里計(jì)劃全稱是“阿里原初引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)”計(jì)劃，于2017年在海拔5250米的西藏阿里啟動(dòng)建設(shè)阿里原初引力波觀測(cè)站。阿里計(jì)劃的目標(biāo)是探測(cè)原初引力波，阿里地區(qū)海拔高、大氣稀薄、水汽含量低，自然條件得天獨(dú)厚。2018年11月，阿里原初引力波觀測(cè)站一期基建工程基本完工。阿里計(jì)劃將于2020年開始觀測(cè)，有望完成世界上首次觀測(cè)到原初引力波的壯舉。天琴計(jì)劃和太極計(jì)劃都是在太空測(cè)量引力波的裝置，只是天琴計(jì)劃的衛(wèi)星繞著地球轉(zhuǎn)，而太極計(jì)劃的衛(wèi)星繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)。天琴計(jì)劃由中山大學(xué)發(fā)起，2015年正式啟動(dòng)。該項(xiàng)目將向距地球10萬(wàn)公里軌道上發(fā)射三顆衛(wèi)星，圍繞地球組建邊長(zhǎng)為17萬(wàn)公里的等邊三角形衛(wèi)星陣列，像在太空中架了一把豎琴，宇宙中的引力波傳過(guò)來(lái)，則會(huì)撥動(dòng)“琴弦”，因此命名為“天琴計(jì)劃”。太極計(jì)劃由中國(guó)科學(xué)院實(shí)施，由3顆繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的衛(wèi)星組成，呈正三角形編隊(duì)，每顆衛(wèi)星之間相距300萬(wàn)公里。
（圖源：NASA） 引力波天文學(xué)已經(jīng)是一門成熟的天文學(xué)了，在天體觀測(cè)方面，已經(jīng)小試牛刀，鋒芒畢露且看將來(lái)世界各大引力波探測(cè)裝置投入運(yùn)行之后。引力波天文學(xué)或許會(huì)為提出超越廣義相對(duì)論的引力理論提供線索。楊振寧曾說(shuō)：“假如一個(gè)年輕人，他覺(jué)得自己一生的目的就是要做革命性的發(fā)展的話，他應(yīng)該去學(xué)習(xí)天文物理學(xué)。”現(xiàn)在，是不是可以更具體地說(shuō)，學(xué)習(xí)引力波天文學(xué)？引力波天文學(xué)，中國(guó)也適逢其會(huì)?？茖W(xué)盛事，中國(guó)不再缺席。小賽：很多志向遠(yuǎn)大的物理青年學(xué)子和學(xué)者，嘆息生不逢時(shí)，革命性理論讓老一輩先摘了果子，現(xiàn)在，機(jī)會(huì)來(lái)了！參考資料 [1] 多信使天文時(shí)代：人類用引力波和電磁波邊聽邊看宇宙 https://tech.sina.com.cn/scientist/2018-12-28/doc-ihqhqcis0815552.shtml [2] 見證雙子星合并 多信使天文學(xué)時(shí)代正式開啟 http://www./bencandy-2-15534-1.htm [3] https://www.ligo./page/press-release-gw170817 [4] https://www./38471-gravitational-waves-neutron-star-crashes-discovery-explained.html [5] The Pasta in Our Stars https://www./science/archive/2018/10/neutron-stars-nuclear-pasta/573166/ [6] https://zh./wiki/%E5%BC%95%E5%8A%9B%E6%B3%A2%E5%A4%A9%E6%96%87%E5%AD%A6 [7] Gravitational waves will let us see inside stars as supernovae happen https:///news/2017-09-gravitational-stars-supernovae.html [8] 探測(cè)原初引力波：中國(guó)來(lái)了 https://biznext.qq.com/a/20170106/026031.htm [9] Four big cosmology secrets gravitational waves could uncover https://www./article/2078129-four-big-cosmology-secrets-gravitational-waves-could-uncover/ [10] The Future of Gravitational Wave Astronomy https://www./article/the-future-of-gravitational-wave-astronomy/ [11] Gravitational wave astronomy with LIGO and similar detectors in the next decade https:///pdf/1904.03187.pdf [12] “阿里計(jì)劃”明年冬季開始觀測(cè) http://www.sohu.com/a/305898753_119022 [13] http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2018/10/340187.shtm [14] 空間引力波探測(cè)太極計(jì)劃 https://indico./event/1/contributions/17/attachments/18/18/pdf
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