（通讯员  邓辉）

讲座题目：透视新科技——时空的涟漪

主 持 人：胜  春

做客嘉宾：陆由俊，中国科学院国家天文台研究员。

     苟利军，中国科学院国家天文台研究员。

讲座时间：2025年3月10日～3月16日

（备注：讲座视频可循环播放）

https://article.xuexi.cn/articles/video/index.html?art_id=2110676358607354298&read_id=82036b10-02ba-4dce-ab7f-b99c113d6487&ref_read_id=2bd35c09-e69b-474a-8ef6-b4ab9d059ab3&reco_id=&mod_id=&cid=&source=share&study_style_id=video_default

透视新科技——时空的涟漪

讲座内容：

各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》，我是主持人胜春。早在1916年的时候，爱因斯坦就曾经预测，宇宙当中一定存在着一种波，靠引力辐射的方式来传输巨大的能量。在此后将近一百年的时间，直到2015年，人类首次探测到引力波，这证明宇宙当中，确实存在着巨大的能量，目前我国的科学家也加入到了相关的探测行列当中来。波，在我们的生活中无处不在，光波、水波、声波等等，而在宇宙当中有这样一种波，人们形容它就像时空之中泛起的涟漪，它就是引力波。2015年9月14日，人类首次直接探测到了引力波信号，这一发现打开了人类观测宇宙的一扇新窗。这次的引力波信号，来自于13亿光年之外的遥远宇宙空间，由两个黑洞碰撞合并所引发。在这次双黑洞合并中，一个36个太阳质量的黑洞与一个29个太阳质量的黑洞，合并成一个62个太阳质量的黑洞，辐射出3个太阳质量的能量，这相当于无数颗原子弹同时爆炸所释放出来的能量。它们以引力波的形式向外传播，经过13亿光年的长途跋涉，到达了地球，2017年三位科学家因此获得诺贝尔物理学奖。引力波是怎样形成的？为什么它的探测具有如此重要的意义呢？首先我们给大家介绍一下我们今天请来的两位嘉宾，第一位是来自中国科学院国家天文台的研究员陆由俊先生，欢迎您！主持人好，观众朋友大家好！接来一位的是我们中国科学院国家天文台的研究员苟利军老师，欢迎您！主持人好，观众朋友们大家好！

引力波的概念，你要单说引力的话，我们上过初中物理的都知道引力是什么概念，波的概念也知道，但是引力波合在一块儿，我们就有点迷惑了。那让我们首先看一下引力是怎么来的，我们经常听过的一个故事是17世纪的时候，牛顿是坐在一个树下，然后被一个苹果砸中了。那不一定是真的被苹果砸中了，有可能他看到了一个苹果下落，然后就是说苹果下落的这种过程，激发了他的灵感。他突然间意识到在我们宇宙当中，应该存在着一种称之为叫作引力的这种东西，就是说牛顿的这个认识物体本身存在着质量，而导致了彼此之间存在着一种相互吸引的力。他的这个理论其实就是说，不仅仅解释了当时大家非常疑惑的，比如说好多的这种行星在围绕太阳绕转，具体的是什么样的这种力量在驱使着这种天体的运转呢？牛顿的万有引力就很好地解释了这种现象，当然了它不仅仅是成功地解释了，当时我们所看到的这种现象，还成功地预测出来一些，比如说这种天体的运动的轨迹，后来比如说海王星等等的这种天体，就是根据他的理论先预测出来，后来再利用这个望远镜才发现，所以的话比如说海王星，就被称之为笔尖上的行星。

那么我们普通人都是可以感受到这种引力的，很简单的，因为我们知道现在地球是个球形的，那么我们人被束缚在地球上，他为什么不会掉下去呢？当我们跳起来的时候，一定会落下来，这是我们受到了一个力的牵引，这个力是指向于地球的中心。那么我们就把这个力叫作引力，这是我们任何一个人都感受到的。那么，同样对于天体来说，对于其他任何的物体来说，引力都是有的。而且天体在整个宇宙的运动变化，都是由引力来主导的，所以我们叫它万有引力。在现代社会我们知道，如何去脱离地球的引力，那么我们可以发火箭，当我们的火箭达到第一宇宙速度的时候，我们就可以放出卫星绕我们地球转。这个时候卫星的这个运动，也是我们的引力和它自身的运动产生的离心力一个平衡决定的，它就不会再落下来了。两位刚才关于引力这个概念，跟我们解释得很清楚，我们平时听到波的概念，光波、声波、水波，这个我们是可以理解的，但是引力波到底是怎么形成的？对于水波来说，我们通常的感知，当我扔一个石子到池塘里的时候，整个池塘会泛起涟漪，这个涟漪是向两边岸边传播，我们看到明显的水的运动。如果是声波，当我说话的时候，我这个声带会导致空气的颤动，颤动会挤压空气或拉伸空气，这个也是向外传播，从我这儿传到主持人你那儿，这个引力波是什么呢？引力波是时空的波动。

二十世纪初的时候，爱因斯坦就提出了所有的天体，是存在于一个时空当中的，质量不一样的话，它导致的时空的变形程度不一样。比如说我们这个面板，如果是一个橡胶膜做成的，当我放上一个（有）质量（的球）的时候，会导致它橡胶膜变形，变形它就会弯曲。我会感觉到比如说这个橡胶膜会产生一个振动，如果它振动的介质是时空的时候，我们就把它称之为引力波。我们通常比如说水波，水是什么？水是介质，在这里这个介质是什么？介质是时空，所以正确的名字应该叫作时空波。刚才我们说这个时空会受物质的影响，这个时空就会因为物体的质量越大的话，时空的弯曲就越厉害。比如说我们地球在这儿，远的地方38万公里之外有个月球，那么月球和地球是在绕转的，地球会影响时空，让时空弯曲一点点。那么，月球也会影响时空，让时空弯曲一点点。当它们绕转的时候，它就会拖曳是不是，那么这个时空，就好像这两个东西在拨动，时空的琴弦，时空的波动就传出去了，这就是所谓的时空波或者说引力波。很多人把引力波称之为叫作时空的涟漪，比如说水波，我们称之为水的涟漪。水波跟引力波，物理性质的这种角度，差别还是蛮大的，但是它也是一种能量传递的一种方式，从这个角度来说的话，我觉得是有相似性的，所以就是说很多人把引力波就称之为时空的涟漪。

把我们的时空看成一片湖面，那么每个有质量的物体都是“时空湖面”中的“船”，“船”移动时，时空就会泛起涟漪，这就是我们经常说的引力波。“船”越大速度越快，产生的引力波也就越大，像太阳这样的天体运动时所产生的引力波人类完全无法测量到，只有像中子星、黑洞这样的高密度、大质量天体高速运动时产生的涟漪才有可能被探测到。如果是两个中子星或双黑洞碰撞合并，便会在时空中掀起引力波的滔天巨浪，这种时空的波动都有哪些特点？它和我们生活中所熟悉的波又有什么区别呢？引力波到底有什么特点？大家通常在日常的生活中会感知到很多波动，比如说水波、声波、光波，自然界存在各种各样的波，很多波是有形有相的，大家是能够感知到的。那么引力波是大家很难感知它，我们用很复杂的仪器才能探测到，那么时空的空间发生这个波动，它向远处传播，它传播的速度是多大呢？它是跟光波一样的是光速的传播，每秒钟30万公里，引力波还有一个非常明显的特征，它跟传播路径上遇到的这些物体的相互作用是极其微弱的，它的衰减也是非常微弱，所以它能够完整地把遥远的信息传到我们这儿来，这就是它非常不同于其他波的性质。我们研究引力波到底跟我们普通人有什么关系？

引力波、时空波是毫无阻碍可以穿透过来，它是跟电磁波是完全不一样的，带来了全新的手段，让我们观测宇宙，让我们去理解宇宙，让我们对很多基本的物理，对于我们的宇宙的产生、演化和它的未来是什么样的，都可以给出一些观测的信息。引力波的话，是作为爱因斯坦广义相对论的一个相当于推导，再一次验证了你比如说这个理论的这种正确性，广义相对论已经很好地，几乎可以解释我们现在所观测的所有的这种现象，这个理论我们也知道是在一百年前爱因斯坦他提出来的。当时他提出来的时候，他纯粹是出于一种自身的这种爱好，或者就是说出于对于自然界的这种兴趣，尽管他当时提出来的，他没有预见到这个理论对于现代社会的这种重要性，你比如说我们现在出去要导航。导航卫星就要使用到广义相对论，因为我们知道这个时空是弯曲的，高处的卫星跟我们地面上的时间是有一定的差别，时间之间的这种差别，我们就必须要使用到广义相对论。如果没有这个广义相对论了，我出门比如说要一两公里之外或者几百米之外的这种，比如说要买一杯咖啡，我说不定这个店我都找不到。

引力波既然是看不见摸不到的，它有什么特点，能够让我们能够寻找到它呢？引力波相当于时空的波动，时空的波动，我们比如说我现在这两个点是定在我的左和右方向之间，那么时空一波动的话，两个点之间的距离就有变化，那么这一点点的变化，是可以测量的。今天的手段，如果我测量到它，我就知道有没有引力波穿过这个地方，穿过我所在的位置，那么这就是我们去如何探测它的手段，虽然我们说是看不见摸不着，但是我可以通过测量两个点之间的间距的变化，那么我就知道它是有没有引力波。刚刚陆老师说的就是说我们现在是通过测量距离的方法，因为一个波要经过的时候，它会改变距离，但是改变距离直接测量距离的变化，其实我们是非常难的。比如说在2015年9月14号探测的那一例，它当时那个变化是10的负18次方米。这个变化实际上，能够比原子核还要小。那么，UGO（激光干涉引力波天文台）测的第一例的引力波，实际上是原子核的千分之一，这个是非常非常小的一个尺度，那我们怎么去测量它？我们知道测量距离，你一定先要有个尺子，用什么做尺子？用我们普通的尺子，那是精度不够的，你没法达到那个精度。那么，这个世界上最好的尺子是什么？就是说我们可以用所谓的迈克逊激光干涉仪，激光。所以就是说这种探测的精度，探测的难度是非常难的，所以我们说这种是高精尖的这种最前沿的科学。

当今最具规模的激光干涉引力波天文台UGO，是依套激光干涉仪来探测引力波，它由两个垂直的干涉臂组成，臂长约为4千米，它的成功正是利用了光波的稳定性。一束激光经过分光镜分为两束方向垂直的光，在相同长度的真空管中来回奔跑，它们的速度都是每秒钟30万千米。一旦引力波来袭，时空就会发生波动，一只臂就会出现拉伸，而另一只则会出现收缩，两束光不再同步便会出现干涉亮斑。科学家们通过捕捉这个微小的亮度变化，再将它与理论计算得出的引力波模型进行比较，就可以确认它是否由引力波所引发。理论上UGO可以探测到3亿光年距离外的引力波事件，而事实上，引力波的信号非常微弱，任何微小的震动，哪怕一阵风吹过，都可能对它产生干扰。然而，正是通过测量这样一个无比精细的变化，我们却可以感知到在遥远太空深处上演的双黑洞或者双中子星引力波辐射事件。美国的UGO引力波天文台，实际上它从开始提出一直到建成探测到这个信号的话，是花了将近40年的时间，那么为什么要花这么长时间？因为这个里面它要排除万难，各种各样的因素，我们刚才说的卡车甚至周围刮过一阵风，树枝掉地下去了，那么也会影响它，它要想各种办法、各种手段去排除这些噪声，测到真正的信号。

激光干涉仪它管道当中，首先必须要抽成真空，防止你比如说空气原子对于激光的这种影响，另外的话最为重要的是它那个镜面，它有一个比如说（直径）不到一米的，大约90厘米的一个悬挂的这种镜子。这个镜子你必须要悬挂起来，否则的话比如说我人在管道，或者就是说地面上走的时候，或者就是说汽车开过的时候都会震动这个东西。哪怕一个汽车的震动，都有可能导致引力波是测试不准的，我们怎么来确定我们测到的就是真实的我们想要找的引力波，而不是疑似引力波？这个问题是非常好的一个问题，就是大家说，为什么你测到的就是引力波？而不是其他一个未知的因素造成的，比如说我们地壳里面某一个地方的一个小的震动，引力波会造成距离变化了。你的震动也会造成距离的变化，你风吹过这个管道也会造成距离的变化。你的镜子的不平整度等等，所有的这些掺杂，都在你测到的数据里面，我们要找出真正的信号。引力波的信号是什么？我们知道它这个波源的特别的波源，比如说是双黑洞或者双中子星这样的波源，那么它长什么样子？我用爱因斯坦的广义相对论可以算出它有明确的样子，它比如说振动，大家都可以看到这个东西，这个样子的，那么如果你在频域空间里发觉你的变化，刚好完美地契合你的理论的话，一般的情况下，我们大家都公认你找到的是真的信号。

因为别的噪声跟这个长得不一样，这个一定是遥远的双黑洞，或者双中子星这样的天体事件造成的引力波的辐射。比如说我们现在去探测到了两个黑洞合并，两个中子星的合并，以及中子星和黑洞的合并，到目前为止就主要是分为这三大类。刚才您提到的探测到两个黑洞的合并，探测到这样的一个结果，对我们来说意味着什么？在我们宇宙当中，有非常多这种不可知的东西，比如说在LIGO探测到两个黑洞合并之前，其实的话我们理论上是知道两个黑洞应该是存在的，但是我们从来就没有发现，我们也没有想到是通过什么样的方式去找到这些天体，LIGO相当于给我们打开了一扇新的这种窗口。我记得在新闻发布会之后，有一个非常好的这种比喻，它就是说之前我们这种探测的手段，我们就是说用眼睛去看。通过眼睛的意思是说通过电磁波，另外引力波实际上使得我们的耳朵听得远了，那么这两种是不同的，我经常喜欢做的一个比喻就是说我们以前已经做到了，比如射电望远镜、光学望远镜、红外望远镜和比如说X射线、伽马射线这种高能望远镜。那么我们有各种各样的望远镜，我们眼睛是明亮的，我们可以看到宇宙的深处，但是现在因为它有了引力波，那么我们的引力波刚才说的是时空波，是时空的颤动，这是一个全新的窗口，全新的手段去观测宇宙，那么它观测宇宙的手段跟电磁波是完全不一样的。这个探测使得我们的耳朵听得远了耳聪，那么我们听得远的引力波听到的东西是跟电磁波的不一样，电磁波是看不到的。比如说两个黑洞的并合，刚才苟老师说了，在它的绕转过程中它会并合掉，但是它不发光，如果没有光的话，电磁波是对它无能为力的。在这些黑暗的场所，这些事情发生这恰恰是宇宙中最激动人心的、最宏大的事件。

在宇宙的每个角落，都有技艺高超的乐手，或在慷慨激昂地演奏，或在不知疲倦地磨练技艺，等待登台，它们共同奏响的是名为引力波的交响乐。想要聆听优美的交响乐，我们也需要灵敏的耳朵，那就是引力波探测器。2017年10月16日，引力波再次来袭。人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波，它与双黑洞合并的主要区别在于除了引力波之外，还会产生电磁辐射。如果说之前双黑洞合并引力波的发现是人类第一次听到了宇宙的声音，那么这一次则是人类第一次连听带看地感受到了一个引力波事件，堪称是一场天文光学盛宴。随着神秘的引力波一次次地被人类捕捉到，我国科学家也迫不及待地加入到了探测引力波的行列之中。2015年，中山大学启动天琴计划，宣布将用20年的时间建成天琴空间引力波天文台。2016年，中国科学院公布了另一项空间探测引力波计划“太极”，它将由三颗卫星组成引力波探测星组，卫星间距高达300万千米，它们将在太空轨道之中探测引力波。我们国家也在开始空间探测引力波的计划，我们已经知道了我们有了地面的探测器，我们建立空间探测器的这个诉求和目的是什么？

不同的探测器实际上它针对的频段是不一样的，为什么呢？因为我们在地面上建的地基的，所谓的激光干涉引力波天文台，那么一般它的尺度是有限的。两个臂，一臂是三公里、四公里的臂长，这是很庞大的一个东西，那么美国要建的一个叫宇宙勘探者，未来十年的这种尺度上它要建成的，那么这个是什么？是40公里长，你想象40公里长的一个仪器，这个是比北京的尺度还要大。如果是在北京，光这个地你就建不起了，当然也不可能建得更大了，为什么？因为我们地球是弯（圆）的，你怎么克服地球的弯曲？对吧，表面的弯曲你是克服不了，所以我们要把它发到空间去。比如说我国的太极或者天琴这样的望远镜都是在空间，那么它的臂长是几十万公里到几百万公里这种臂长，臂长是非常非常长的，它可以测很低的频率的，比如说毫赫兹的这种引力波造成的变化，所以我要测大的东西，一定要用长臂的，就是（利用）空间（设备）去探测。那么，这大的东西宇宙中有没有？有，我们知道银河系的中心就有一个超大质量黑洞，400万个太阳质量，那么宇宙中有很多星系，从我们的今天的宇宙学星系形成的理论来说，我们会预期这些星系中心，这些星系会发生并合、碰撞，那么星系中心的黑洞，也会向一起靠近，最后变成一个所谓的大质量的双黑洞。那么，我们刚才说的是百万个太阳质量，10万个太阳质量这种类型双黑洞，那么它发出的波，波长非常长，你就可以用空间的（设备）去探测它，它探测的完全是不同的一类波源。

目前我们国家对引力波的探测已经到了一个什么样的程度，进展如何？实际上我们国家对这方面的探测，自从引力波正式的第一次探测之后，就是开始非常重视，当然早年有很多研究都是基于理论的或者预言性质的，那么这些研究，其中最值得说的就是我们国家有一个天眼望远镜。那么他们现在已经成立了所谓的叫中国的脉冲星测时阵，以天眼为核心，辅助于其他的小望远镜，也参与引力波的探测，大家期望在一定的，未来一段时间内可以积累很多的数据。中国也有一个叫阿里计划，就是说阿里天文台，是由（中科院）高能物理所他们主导的一个项目，是建在中国西藏的阿里，试图比如说探测到我们宇宙最早期的，就是说大爆炸之后很短的那个时候所产生的引力波。那么地基的引力波，就是地上的引力波，我们国家其实也有项目，他们做的一个所谓叫ZAIGA，它是一个地下放在山洞里面的，它也是一种原子干涉探测引力波。对引力波（的）探测，对我们人类有什么意义？

这其实又回到比如说我们做基础学科的这种意义上，那其实就是说科学的话，它就是说整个社会的这种相当于一个推动力，我们虽然就是说做了很多看似与我们的生活没有太大的这种意义（的研究），但是就是说它很可能会影响到我们整个社会的这种未来。我们现在享受的所有的文明成果都是从基础科学开始的，从牛顿那个年代，我们的工业革命等等，都是因为我们把这些基础的原理搞明白了，那么这是其一。其二就是说，最本质的是这人是有一种好奇心的，我永远想理解星空是什么样的，我们的宇宙是什么样子，我们所处的世界，所处的环境到底是什么背后的规律在控制着它。那么第三个就是说，所有的人类作为一个群体，我们想象的不仅仅是眼前，眼前的生活，我们有很好的物质生活，很好的环境，像你刚才说的一样，我们可以生活得很愉快，我们可以不关心引力波，我们可以不关心宇宙是怎么样的，不影响我们的生活。但是，如果我们为子孙后代着想的话，为人类的居住权着想的话，也许我们有一天，比如说地球资源可能会被耗竭，我们的环境有一天可能无（以）复加，你再也弄不回这么好的环境了。

那么那时候你怎么办？那么你一定是想向外进发，对不对？既然向外进发，那么你就需要理解这个宇宙为我们的人类，人类我们想也许可能几千年就没了，但是也许是一个很长很长的时标，这是一个。还有另外一个我刚才提到的，它一直可以探索到遥远的，因为引力波可以穿透时空，那么这个就对我们了解宇宙的创生非常关键。当然了还有很多天体物理的应用，比如说星系的并合，到底有多少并合，是发生什么样的并合，都可以从这些观测的信息里面得到，这就是为什么大家不惜成本、不惜代价。科学之所以它神秘可敬的地方，就是有那么多我们未知的世界等待我们去探测，对引力波的探测和研究，对将来你们的展望会是什么样？我的一个梦想，因为我们有个全新的手段，全新的窗口去探测宇宙。我最想知道的有三个点，第一个点引力波会不会告诉我们所谓关于量子引力的信息，第二点我想知道的说，因为引力波它有一个全新的手段，它能够看到宇宙的创生时刻，我想在近几十年内有没有可能我们真正地探测到原初引力波，那么它告诉我原初的宇宙，我们的宇宙是如何创生的。那么第三个点就是说，如果我们的量子引力有了，我们的宇宙的创生对这些引力波给我们带来，帮助我们去彻底地理解了这些东西以后，那么它有没有可能带来就像你说的实际的应用。

那么实际的应用到底是什么样子？像《三体》里面有一个引力波的发射器，可以传递信息什么之类的，我不知道，但是也许科学总是给我们带来意外的惊喜，就像我们刚才说的广义相对论，爱因斯坦一百年前做了广义相对论，他从来也没有想过广义相对论可以做GPS（全球定位系统），可以做北斗，他从来没有想过。那么我们今天坐在这儿，可能我们也从来没有想过引力波最后的应用到底是什么样的？也许不是说《三体》那样的，这个探射器、发射器之类的，也许是一个我们无法想象的应用。所以就是说它的作用往往就是说，我们现在因为在非常短的这种时间之内，我们所站的高度不够高，我们很难看到比如说这种深刻的理论带给我们人类发展（的影响）。我就记得在引力波的发布会之后，麻省理工的大学的校长莱斯他就讲过一段话，他说这个基础学科对于我们人类社会的影响，其实往往都是起到一种颠覆性的这种革命。非常感谢两位来到我们演播室，在我们《透视新科技》节目当中，带我们观众走进科学的世界，甚至走进一个多维的时空世界当中。随着我们综合学科的不断发展，我们对宇宙会了解得更多，对人类自我的认知也会越来越丰富。好，在这里非常感谢各位收看我们今天的《透视新科技》！如果您想了解我们更多的节目信息，可以下载央视频去收看我们的节目。好，今天的节目就到这儿了，我们下期节目再见。