引力波有什么魅力？物理諾獎(jiǎng)得主巴里·巴里什獨(dú)家解讀

導(dǎo)讀袁嵐峰和諾貝爾獎(jiǎng)得主巴里·巴里什對(duì)話，解讀引力波。

袁嵐峰：我們的節(jié)目經(jīng)常有我跟著名科學(xué)家的對(duì)話，最近我參加了《科學(xué)家請(qǐng)回答2021》的系列對(duì)談活動(dòng)，世界頂尖科學(xué)家協(xié)會(huì)與今日頭條幫我聯(lián)系到了一位諾貝爾獎(jiǎng)得主巴里·巴里什(Barry C. Barish)，他和另外兩位科學(xué)家雷納·韋斯（Rainer Weiss）和基普·索恩（Kip Stephen Thorne），因?yàn)樘綔y(cè)到引力波獲得了2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，實(shí)際上我以前就見過他們。2017年12月18日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院舉辦了一場(chǎng)“引力波大會(huì)”，邀請(qǐng)這三位諾貝爾獎(jiǎng)得主演講，潘建偉作主持人，當(dāng)時(shí)我就在現(xiàn)場(chǎng)，后來把這次經(jīng)歷寫成了一篇文章，《聽三位諾貝爾獎(jiǎng)得主講引力波》，不過當(dāng)時(shí)我并沒有提問，因?yàn)槲矣X得這樣的機(jī)會(huì)最好留給公眾，專業(yè)的科學(xué)家有的是機(jī)會(huì)交流。果不其然，四年后，在第四屆世界頂尖科學(xué)家論壇即將召開之際，我要和巴里什教授進(jìn)行一次深入的對(duì)談。四年來，引力波科學(xué)取得了很多新進(jìn)展，但大多數(shù)公眾對(duì)這個(gè)領(lǐng)域仍然感到很神秘。下面，我們就來和巴里什教授連線。巴里·巴里什：你好，很高興見到你。袁嵐峰：我能很清晰地聽到你說的話，謝謝。

巴里·巴里什：我期待這次談話。請(qǐng)問你身后巨大的背景圖案是什么？那些燈。袁嵐峰：哦，這個(gè)背景圖案其實(shí)是我們的中心。中國科學(xué)院成立了一個(gè)新機(jī)構(gòu)叫科學(xué)傳播研究中心。我是該中心的副主任之一。我們認(rèn)為科學(xué)傳播非常重要，所以將它作為訪談的背景圖案。巴里·巴里什：不錯(cuò)，科學(xué)教育確實(shí)很重要，我非常同意這點(diǎn)。袁嵐峰：謝謝，親愛的巴里什教授，非常高興再次見到您。之所以說“再次”，是因?yàn)樵?017年12月舉行的上海墨子沙龍的引力波大會(huì)上我就聽過你們?nèi)坏难葜v。您對(duì)那次大會(huì)還有印象嗎？巴里·巴里什：是的，我記得。當(dāng)時(shí)我剛從瑞典來到上海。當(dāng)我到達(dá)上海的時(shí)候，我的手提箱和衣服還沒有到。所以在你們看到我前，我去百貨公司買了一件夾克，正好就是我現(xiàn)在穿的這件。袁嵐峰：看來這確實(shí)是一次非常有趣的大會(huì)。那次會(huì)議之后，我寫了一篇科普文章。其中我這樣解釋引力波：物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)都是發(fā)生在時(shí)空之中的。物質(zhì)好比演員，時(shí)空好比這些演員表演的舞臺(tái)。普通的波，例如水波、聲波、電磁波都是演員在動(dòng)而舞臺(tái)不動(dòng)。引力波卻不同，是舞臺(tái)本身的運(yùn)動(dòng)，所以經(jīng)常被比作“是空的漣漪”。您覺得這個(gè)描述怎么樣？您會(huì)如何向公眾介紹引力波？

巴里·巴里什：嗯，我認(rèn)為這是個(gè)很好的圖像式描述，抓住了正確的區(qū)別，即運(yùn)動(dòng)的是舞臺(tái)而不是演員，但也遺漏了幾個(gè)非常重要的要點(diǎn)。這個(gè)描述忽略了一個(gè)事實(shí)，當(dāng)舞臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，它運(yùn)動(dòng)得非常快，以光速運(yùn)動(dòng)。舞臺(tái)不只是在運(yùn)動(dòng)，而且移動(dòng)得非常非常快，在以光速運(yùn)動(dòng)。第二、如果讓我描述引力波，我可能也會(huì)這么說，但我還必須告訴他們，它是以光速運(yùn)動(dòng)的，然后第二點(diǎn)是，任何好奇的人其實(shí)都想知道是什么讓舞臺(tái)動(dòng)運(yùn)的，對(duì)嗎？袁嵐峰：是的。巴里·巴里什：這也應(yīng)該得到解釋，在廣義相對(duì)論中，舞臺(tái)的運(yùn)動(dòng)是由質(zhì)量的任何加速度引起的，我們有一個(gè)質(zhì)量而且它在加速，不是以恒定的速度運(yùn)動(dòng)，而是加速運(yùn)動(dòng)，然后就發(fā)出了引力波，所以引力波是由加速的質(zhì)量產(chǎn)生的，并且以光速運(yùn)動(dòng)，然后就像你描述的舞臺(tái)一樣運(yùn)動(dòng)。所以我打算加上這兩點(diǎn)，加以完善你的描述。

袁嵐峰：嗯，是的。所以需要強(qiáng)調(diào)的是，并不是所有有質(zhì)量的物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)都能產(chǎn)生引力波，有些運(yùn)動(dòng)并沒有產(chǎn)生引力波，對(duì)嗎？巴里·巴里什：是的，產(chǎn)生引力波需要加速度，加速度。或者說加速度是產(chǎn)生引力波的一般原因，如果運(yùn)動(dòng)物體，比如繞地球運(yùn)動(dòng)的月球，引力拉著它們產(chǎn)生了加速度，因此，它需要物質(zhì)不是停留在同一個(gè)地方，而是被加速了。袁嵐峰：是的，像這樣的運(yùn)動(dòng)可以產(chǎn)生引力波，但像這樣的就不會(huì)產(chǎn)生引力波，對(duì)嗎？巴里·巴里什：是的。袁嵐峰：所以實(shí)際上幾乎所有運(yùn)動(dòng)， 我們觀察到的大多數(shù)運(yùn)動(dòng)都會(huì)轉(zhuǎn)化為引力波，但大多數(shù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的引力波我們檢測(cè)不到，因?yàn)樗鼈兲趿耍沁@樣嗎？巴里·巴里什：是的，我們通常說引力波產(chǎn)生一種力，所以引力波必然來自于某種運(yùn)動(dòng)，它產(chǎn)生這種效應(yīng)，但我們很幸運(yùn)，因?yàn)槲枧_(tái)形狀改變不大，當(dāng)引力波根據(jù)愛因斯坦的著名論述扭曲空間和時(shí)間時(shí)，因此如果我們想一想為什么蘋果會(huì)落到地球上，牛頓告訴我們蘋果會(huì)落到地球上，而且給出了一個(gè)方程式，兩個(gè)物體之間的引力與其質(zhì)量的乘積成正比，與它們距離的平方成反比，但實(shí)際上引力對(duì)時(shí)空的扭曲非常小，這就意味著當(dāng)引力波引起空間和時(shí)間的扭曲或舞臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，扭曲程度不是太大，你可能把它想象成一種諸如鋼棒之類的物質(zhì)，但它不是，它非常堅(jiān)硬。幸運(yùn)的是空間剛好像一種非常堅(jiān)硬的材料，因?yàn)榉駝t，按照廣義相對(duì)論，一切物體都會(huì)被扭曲，好在它非常微弱，所以我們作為生活在此的人都很幸運(yùn)，空間的性質(zhì)是非常堅(jiān)硬的。但這也造成了一個(gè)問題，即我們很難觀測(cè)到引力波，所以這有兩面性。

袁嵐峰：是的。您說的鋼棒讓我想起了約瑟夫·韋伯，韋伯棒【注釋：約瑟夫·韋伯（1919-2000）美國物理學(xué)家，提出了用“韋伯棒”探測(cè)引力波的方法】，那是最早的探測(cè)引力波的設(shè)備，他沒有探測(cè)到引力波，但他認(rèn)為自己探測(cè)到了。

巴里·巴里什：是的，他以為自己發(fā)現(xiàn)了引力波，但不幸的是，他是一個(gè)非常聰明的人，他確實(shí)開創(chuàng)了這個(gè)領(lǐng)域，也在技術(shù)上有許多聰明的想法，但不幸的是作為科學(xué)家我不得不對(duì)他有所批判，這是因?yàn)榭茖W(xué)家最重要的素養(yǎng)之一是持懷疑態(tài)度，你必須證明某件事是對(duì)的，他想探測(cè)到引力波，他想相信它，但不幸的是這使他失去了他本來可能具有的批判態(tài)度。袁嵐峰：是的。我想好奇的人還會(huì)有一個(gè)問題，他們會(huì)問：什么在振蕩？（引力波）是什么性質(zhì)在振蕩？巴里·巴里什：引力波就像波，都是上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的。向上時(shí)，它會(huì)使空間向一個(gè)方向扭曲；向下時(shí)，它會(huì)使空間向另一個(gè)方向扭曲。因此，引力波來回運(yùn)動(dòng)，在兩個(gè)方向上扭曲空間。袁嵐峰：是的。巴里·巴里什：美國有一種游樂園，你有時(shí)去玩，看到他們有一種鏡子，當(dāng)你走近這面鏡子時(shí)，你會(huì)顯得高了不少，然后當(dāng)你走近下一面鏡子時(shí)，你又會(huì)顯得胖了不少。袁嵐峰：我們這里也有這種鏡子（哈哈鏡），是的，一種非常滑稽的鏡子。巴里·巴里什：所以引力波的效果基本就是讓你在這兩面鏡子之間往返運(yùn)動(dòng)，你一會(huì)變高，一會(huì)變矮，來回往復(fù)，你來回往復(fù)的速度就是引力波的頻率，具體取決于引力波的頻率。因此，該頻率可能是每秒100次，也可能是每秒兩次，也可能是每秒一千次。對(duì)于不同的產(chǎn)生引力波的物理現(xiàn)象，我們會(huì)給出不同的往復(fù)速度，這有助于我們理解那些可能是引力波的對(duì)象。

袁嵐峰：所以當(dāng)有引力波存在時(shí)，你在某個(gè)方向被拉伸，但在另一個(gè)方向又被壓縮，對(duì)吧？巴里·巴里什：是的，對(duì)，半個(gè)波長后，拉伸和壓縮的方向發(fā)生的對(duì)換，然后如此反復(fù)。袁嵐峰：是的。所以一般來說，面積不會(huì)改變，對(duì)嗎？巴里·巴里什：是的，面積是保持一樣的。袁嵐峰：我們是不是應(yīng)該說是時(shí)空的什么性質(zhì)在變化，是時(shí)空的曲率在變化，對(duì)嗎？巴里·巴里什：是的，這是因?yàn)槲颐枋龅囊磺卸枷袷嵌S的，但在現(xiàn)實(shí)生活中卻是四維的，而不是二維的，扭曲是在三維空間和時(shí)間中共同出現(xiàn)的。愛因斯坦把空間時(shí)間組合在一起構(gòu)成四維，他創(chuàng)造了一個(gè)德語單詞，時(shí)空spacetime，但在英語中，我們把它寫成space-time。當(dāng)我們?cè)谟?jì)算機(jī)上輸入spacetime這個(gè)詞時(shí)，詞的下面會(huì)顯示波浪線，好像你拼錯(cuò)了似的，但其實(shí)spacetime是一個(gè)正確的單詞，表示四維。袁嵐峰：是的，時(shí)空表示三維的空間加上一維的時(shí)間，它們相互融合在一起，是不可能被分開的。巴里·巴里什：是的，它們都融合在一起，很難視覺化。袁嵐峰：是的。下一個(gè)問題是為普通大眾問的，引力波會(huì)如何影響我們的未來？例如，有人認(rèn)為從長遠(yuǎn)來看，它只會(huì)停留在基礎(chǔ)研究的層面，不會(huì)對(duì)我們的現(xiàn)實(shí)生活造成多大影響，您怎么看？巴里·巴里什：這是一個(gè)我有強(qiáng)烈感受的問題。我的生活就是做基礎(chǔ)物理研究，所以這個(gè)問題其實(shí)等同于基礎(chǔ)研究的價(jià)值是什么。我們做這些研究時(shí)，并沒有問自己它們以后可以被用在哪里。我們做這些研究是為了理解大自然，然而事實(shí)證明，理解大自然已經(jīng)成了一種研制重要設(shè)備的絕佳方法，會(huì)對(duì)社會(huì)產(chǎn)生非常重要的影響，而在進(jìn)行科學(xué)研究的時(shí)候，你甚至可能都沒意識(shí)到這一點(diǎn)，所以我們不知道引力波研究會(huì)不會(huì)有用，并不是全部的基礎(chǔ)物理學(xué)研究都有用，但我會(huì)舉一個(gè)例子，也是來自愛因斯坦，對(duì)我來說這是一個(gè)絕佳的例子，來說明基礎(chǔ)科學(xué)如何可能得到回報(bào)。愛因斯坦在1919年提出了引力波以外的其他東西，被他稱為自發(fā)輻射【注釋：激光的原理其實(shí)是受激輻射，而不是自發(fā)輻射，巴里什在這里和下面說的自發(fā)輻射都應(yīng)該理解為受激輻射】，它是激光的基礎(chǔ)，這是一種核物理效應(yīng)，是另一種效應(yīng)。我們做的關(guān)于它的實(shí)驗(yàn)，為了證明它是一個(gè)真實(shí)的效應(yīng)，在20世紀(jì)50年代后期被重新做了。當(dāng)時(shí)我在美國伯克利讀書時(shí)，它演示了自發(fā)輻射，自發(fā)輻射產(chǎn)生的一種效應(yīng)，就像連鎖反應(yīng)。如果你激發(fā)了一個(gè)，就會(huì)激發(fā)另一個(gè)，它們是關(guān)聯(lián)的。當(dāng)時(shí)人們根本沒想到，它會(huì)有應(yīng)用。大約10年后，實(shí)際上是60年代末，人們開始認(rèn)識(shí)到你可以制造一個(gè)裝置，產(chǎn)生高度集中的光束，由于這種關(guān)聯(lián)特性，正如你剛才說的，你已經(jīng)猜到了，這就是激光。所以激光是在一個(gè)基本研究的發(fā)現(xiàn)之后出現(xiàn)的。激光這個(gè)詞我不知道你是否知道它是什么的首字母縮寫，激光（LASER）的意思是受激輻射光放大【注釋：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation】，所以受激輻射這個(gè)詞是在激光這個(gè)詞的字母中出現(xiàn)的，這就是激光這個(gè)詞的來源。現(xiàn)在，對(duì)于喜歡經(jīng)濟(jì)學(xué)的人來說，這個(gè)行業(yè)一年大約有300億美元，但激光的來源甚至是他們所不了解的。當(dāng)這個(gè)來自基礎(chǔ)物理學(xué)的東西被制造出來時(shí)，人們根本想不到它會(huì)有任何用途。我還要再提一個(gè)例子，也是為了顯示這不是完全的偶然。我還要提出第二個(gè)例子是我在職業(yè)生涯中研究的另一個(gè)效應(yīng)，叫做核磁共振 NMR。磁共振理論上是在世界第二次大戰(zhàn)不久后，由珀塞爾在馬薩諸塞州劍橋市發(fā)現(xiàn)的。后續(xù)研究以不同的方式研究其不同的變體，20多年后，人們意識(shí)到通過核磁共振的原理可以制造一種醫(yī)學(xué)成像設(shè)備，這種成像設(shè)備在美國被叫作核磁共振成像（MRI）。磁共振成像是當(dāng)今醫(yī)學(xué)中最精確的成像設(shè)備，之所以叫磁共振成像是因?yàn)槿藗儾幌矚g核這個(gè)詞。

袁嵐峰：對(duì)，對(duì)，人們害怕核這個(gè)詞。巴里·巴里什：是的，但事實(shí)上這是精確的成像，是我們最好的成像設(shè)備。激光和核磁共振這兩者源自研究者因純粹的好奇而開展的實(shí)驗(yàn)，就像引力波一樣，并不是我們?cè)诨A(chǔ)物理中學(xué)到的所有東西都必然會(huì)有應(yīng)用。但我給出的并不是僅有的兩個(gè)例子，如果你做基礎(chǔ)研究而不是僅僅試圖應(yīng)用它們，你現(xiàn)在就應(yīng)該知道它很可能會(huì)得到回報(bào)，不止是每個(gè)實(shí)驗(yàn)和發(fā)現(xiàn)，但僅僅推動(dòng)人類知識(shí)進(jìn)步，這本身就會(huì)提供給我們意想不到的全新的方法來做事。當(dāng)然激光和核磁共振這兩個(gè)例子極好地證明了，現(xiàn)代物理學(xué)能夠回報(bào)社會(huì)。

來源: 風(fēng)云之聲

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