百年現代物理學的了斷和一個新時代的開啟｜張雙南評引力波獲諾獎

01-29

編者按

2017年諾貝爾物理學獎被授予美國三位科學家Rainer Weiss（雷納·韋斯）、Kip Thorne（基普·索恩）、Barry Barish（巴里·巴里什），以表彰他們在LIGO檢測器和引力波觀測的決定性貢獻。中國科學院高能物理研究所研究員，中國科學院粒子天體物理重點實驗室主任張雙南就此作了精彩解讀。

撰文 | 張雙南（中國科學院高能物理研究所研究員、中國科學院粒子天體物理重點實驗室主任）

知識分子為更好的智趣生活ID：The-Intellectual

這次的諾貝爾物理學獎有一個特殊的意義：百年的現代物理學，今天終於做了一個了斷！

現代物理學建立的標誌當然是一百年前建立了相對論和量子力學，而相對論理論的建立儘管也有多位物理學家的貢獻，但是愛因斯坦的貢獻不但傲立群雄，而且即使說是愛因斯坦以一己之力建立的，也不會有太大的問題，尤其是廣義相對論的建立更是人類理性思維和科學發展的一個高峰！

而量子力學的建立則完全是一批物理學家的集體貢獻，愛因斯坦也對量子力學的建立做出了重要的貢獻，比如他於1922年被授予的1921年的諾貝爾物理學獎的頒獎詞為：「對理論物理的服務，特別是發現了光電效應的規律。」「光電效應」是光的量子性的直接證據，而且是對原子的量子力學模型的直接驗證。事實上，隨著量子力學以及基於量子力學的粒子物理標準模型的發展，相關研究在諾貝爾物理學獎歷史上獲獎那是層出不盡，相信以後還會有。這些諾貝爾物理學獎標誌著量子力學走向了成熟，雖然今後還會發展，但是其正確性已經毋庸置疑。

與此形成鮮明對照的是，愛因斯坦（為主）建立的廣義相對論一百年來雖然已經成為了現代物理學的主要部分，而狹義相對論更是和量子力學一起構成了現代物理學的兩個支柱，但是歷史上不但愛因斯坦沒有因為相對論而獲得諾貝爾物理學獎，後來對於豐富廣義相對論而做出了很多貢獻的眾多物理學家們也無人因此獲得過諾貝爾物理學獎，這不能不說是物理學史和諾貝獎歷史上的一個遺憾。

也許是因為愛因斯坦的光芒實在是太耀眼了，既然沒有把相對論的諾貝爾物理學獎授予愛因斯坦，其他人也沒有資格因此獲得此獎！也許是愛因斯坦的貢獻實在是太大了，後隨的物理學家們不管做了多少工作，和愛因斯坦的工作相比都是微不足道！也許是愛因斯坦建立的理論體系太完備了，所有其他物理學家們的工作不管多麼重要，也只不過是補充而已，並沒有改變相對論的理論體系和結論。事實上，這些「也許」在很多人看來就是事實！

儘管如此，歷史上還是有3.0次諾貝爾物理學獎不但和愛因斯坦以及相對論有密切的關係，而且可以看做是本次諾貝爾物理學獎的前奏。

0.5個諾貝爾物理學獎：1983年和Fowler分享了諾貝爾物理學獎的Chandrasekhar（錢德勒塞卡）。他獲獎的頒獎詞是「對恆星的結構和演化中的物理過程的重要性的理論研究」，而錢德勒塞卡在這方面最為重要的研究是發現了以前認為的恆星演化的最終產物白矮星必然有質量上限，這就奠定了理解中子星和黑洞形成的理論基礎。上世紀60-70年代發現的中子星和黑洞都驗證了錢德勒塞卡的理論的正確性，錢德勒塞卡獲得了諾貝爾物理學獎可以說是眾望所歸。由於錢德勒塞卡的恆星演化理論的背後就是相對論和量子力學，這個諾貝爾物理學獎也可以說是獎勵給了把相對論和量子力學同時應用到天體物理的一個重要發現。

0.5個諾貝爾物理學獎：1974年和Ryle分享諾貝爾物理學獎的Hewish。他獲獎的頒獎詞是「對發現脈衝星的決定性角色」（但是，實際上發現脈衝星的是他的學生Bell女士，她並沒有分享此獎，而這也被認為是諾貝爾獎歷史上的重大冤案之一）。很顯然，發現脈衝星證實了錢德勒塞卡以及後來很多物理學家應用相對論和量子力學研究天體演化的理論工作的正確性。

1.0 諾貝爾物理學獎：1993年Hulse和Taylor分享的諾貝爾物理學獎頒獎詞為：「對於發現了一種新類型的脈衝星，這個發現打開了研究引力的可能性。」他們發現的是一個雙中子星系統，在其後的幾十年中，利用這個以及後來陸續發現的雙中子星-脈衝星系統，對廣義相對論進行了各種精確的檢驗，至今沒有發現對廣義相對論的偏離。尤其是，雙中子星軌道的衰減和廣義相對論預言的通過引力波輻射的軌道衰減精確一致，也因此人們經常用Hulse和Taylor的這個觀測和研究結果作為對廣義相對論的引力波預言的觀測驗證。但是，確切的說，這隻能算是間接驗證，因為並沒有觀測到這個以及其他雙中子星-脈衝星系統輻射的引力波，況且他們獲得諾獎的直接原因是他們發現了這種天體系統，而不是對引力波的檢驗。

1.0諾貝爾物理學獎：2011年Permutter、Schmidt和Riess獲得的諾貝爾物理學獎的頒獎詞為：「對於通過觀測遙遠的超新星爆發發現了宇宙的加速膨脹。」這個獎不但和愛因斯坦本人有關係，而且對這個發現的「主流」解釋也是以廣義相對論為基礎的。愛因斯坦在哈勃發現宇宙膨脹之前，曾經在他的廣義相對論場方程裡面引入了所謂的「宇宙學常數」，用來產生一個長程排斥力來抵抗引力，保持宇宙處於一個靜態的狀態。但是在哈勃發現了宇宙膨脹之後，愛因斯坦認為他引入了「宇宙學常數」是犯了他「一生最大的錯誤」，否則他就可以預言宇宙的膨脹。但是，如果在廣義相對論的框架下解釋早期宇宙減速膨脹、但是近期宇宙加速膨脹這個觀測結果，我們還是需要在廣義相對論場方程裡面引入「宇宙學常數」，而目前對於「宇宙學常數」的物理解釋就是宇宙中充滿了未知的暗能量！

回顧這3.0個諾貝爾物理學獎，我們就會發現，儘管愛因斯坦的廣義相對論已經是理解這些重大發現的理論基礎，廣義相對論早就被學術界接受為現代物理的基礎理論的重要部分，而且「引力波」也是1993年諾貝爾物理學獎的那個觀測結果的最合理的解釋，但是無論廣義相對論還是引力波都還沒有被授予諾貝爾物理學獎！這和量子力學以及相關的物理學研究的情況相比有天淵之別！2017年的諾貝爾物理學獎授予了LIGO實驗直接探測到並且發現了引力波，不但是眾望所歸，而是也對百年現代物理學做了一個了斷！從今往後，擴展廣義相對論理論並且發展和量子力學統一的量子引力理論的研究將進入一個新的時代！

儘管我對於現代科學史沒有做過研究，但是據我所知，2016年2月11日LIGO團隊發現的引力波在科學史上可能創造了兩項之最：一是預言到發現之間時間跨度最長的科學發現，這個時間跨度是一個世紀；二是一個實驗經歷了最長時間才取得了正結果，這個時間是40年。

愛因斯坦於1915年正式發表了廣義相對論理論，第二年，也就是1916年就預言了引力波的存在。引力波就是時空的漣漪，毫無疑問是宇宙中最基本的一種波，而其他的所有的波都是在宇宙時空或者宇宙時空裡面的介質裡面傳播。但是，由於產生可以觀測到的引力波需要在時空中注入巨大的能量，愛因斯坦本人認為，人類永遠也不可能觀測到宇宙中的物理過程所產生的引力波。此外，由於愛因斯坦不相信奇點的存在，他認為宇宙中沒有黑洞，所以自然就不會想到黑洞撞擊併合有可能產生可以觀測到的引力波，而LIGO團隊於2016年2月10日宣布的於2015年9月14日探測到的引力波恰好來自於兩個黑洞的撞擊併合！因此，愛因斯坦猜到了艱難的開頭，卻沒有猜中精彩的結尾！而這個結尾又開創了物理學和天文學的一個新時代！

導致這次發現引力波的實驗的歷史起於上世紀70年代，今天的LIGO項目的創始人之一Rainer Weiss（雷納·韋斯）那時候就開始發展激光干涉探測引力波的技術，隨後和加州理工學院的Kip Thorne（基普·索恩）以及當時英國Glasgow大學、後來加入了加州理工學院的Ronald Drever（羅納德·德雷弗）合作一起發起了LIGO實驗（該實驗也是美國科學基金會有史以來投資最大的科學項目）歷經30多年，終於獲得了第一個正科學結果，也就是探測到了引力波！不但這個團隊幾十年來初心不變，而且資助機構也不離不棄，這絕對是科學史上的奇蹟！後來加入的Barry Barish（巴里·巴里什），主要負責LIGO科學工程和科學團隊工作，因Ronald Drever不久前不幸因病去世，因此Barry Barish作為他們三位創始人之外的最重要貢獻者獲獎。

雖然這次的諾貝爾物理學獎對百年現代物理的發展做了一個了斷，但是這對於引力波探測以及相關領域的研究卻僅僅是一個開始！探測到引力波之前，人類對於宇宙的了解只是「看」，但是不能「聽」，天文學家和整個人類面對宇宙只是聾子！引力波是時空的漣漪，如果我們距離引力波源足夠近，時空的漣漪就會讓我們的耳膜振動起來，我們就能夠聽到引力波。但是，由於我們距離引力波源太遠了，就像我們需要藉助強大的望遠鏡才能看到遙遠宇宙天體的光一樣，我們需要藉助強大的引力波探測器才能聽到遙遠宇宙中的天體發出的引力波，因此引力波探測器就是人類的「助聽器」，從此人類就不再是聾子了！

那麼「聽到」更多的天體發出的引力波有什麼用呢？就像100年前物理學家們研究相對論和量子力學的時候沒有人知道這些理論對我們有什麼用一樣，今天我們也不知道研究引力波對我們有什麼用。但是相對論和量子力學建立之後100年，我們的現代科技和日常生活都已經離不開根據相對論和量子力學的原理所發展出的日新月異的技術了，從半導體到超級計算機，從核能到GPS導航，從醫學診斷設備到量子通信，無不是如此。100年後，誰知道引力波的研究會帶給我們什麼呢？基礎科學研究的重要性就在於會帶給人類完全預想不到的驚喜，其回報總是無數倍於其投資！

短期之內，引力波將成為科學家進一步探索宇宙和發展科學理論的有力工具。利用進一步的更加高精度的引力波觀測，科學家有望回答黑洞到底是什麼？是數學家和理論物理學家們預言的奇點「數學黑洞」、還是我和我的學生劉元所預言的中心沒有奇點的「天文黑洞」、還是為了保證量子信息守恆而推測的「火牆黑洞」、還是最近炒得很熱的有「軟毛黑洞」？廣義相對論理論是最好的引力理論嗎？能否測量到「引力子」？能夠提供檢驗有些量子引力理論模型所需要的觀測數據？除了促進黑洞和廣義相對論的研究，探測到黑洞和中子星或者兩個中子星的併合，將能夠促進我們對於中子星的內部結構的理解，也許能夠回答所謂的「中子星」其內部到底主要是由中子還是夸克組成的這個「中子星」研究領域的終極問題？

除了繼續利用LIGO這樣的儀器探測引力波，空間激光干涉引力波天文台（比如歐洲的LISA項目、中國的太極和天琴計劃）將會「聽到」完全不同類型的黑洞（比如兩個超大質量黑洞）撞擊所發出的引力波，而利用像我國的天眼FAST這樣的望遠鏡對於脈衝星的觀測將有可能探測到兩個超大質量黑洞撞擊之前相互繞轉所產生的引力波，這對於我們理解整個宇宙的結構形成和演化都會非常重要。而探測宇宙大爆炸前期的暴脹時期產生的宇宙原初引力波（比如利用中國正在建設的「阿里」原初引力波天文台），將對於我們理解宇宙的起源起著不可替代的的作用。

原文發表於中國科技工作者之家「科貓」APP，《知識分子》獲授權轉載，有最新修訂。

製版編輯：許逸｜

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