又探測到引力波？你了解它的前因後果嗎

還記得今年年初刷爆朋友圈的引力波嗎？

今晚，這則消息將轟動全世界：人類首次直接探到引力波！

引力波有什麼新鮮的，時時刻刻分分秒秒都有

據傳言，美東時間2016年6月15日凌晨，美國激光干涉引力波天文台LIGO又將召開新聞發布會宣布他們探測到了另外兩個質量在10倍太陽質量的黑洞碰撞併合發出引力波的消息。

大家或多或少都知道關於引力波的一些事情，但是很多小夥伴可能對中國大陸參與引力波研究的現狀不太了解。

今天，蝌蚪君就想說說這些參與引力波研究的中國科學家。

1960年代開始 ，中國科學院數學研究所的所長華羅庚帶了一個從廣東來的研究生，名叫陸啟鏗。華羅庚教他一些多複變函數的知識，同時也寫了 一本關於相對論的書，書名叫做《從單位圓談起》。

《從單位圓談起》用雙曲幾何的觀點處理了狹義相對論中的洛倫茲群的部分，是一本適合數學家理解物理學基本思想的經典之作。

華羅庚寫的關於狹義相對論的書

後來就發生了文革。在文革期間，根據當時政治形勢的需要，中科院也有一個相對論的批判組，取名叫「十三室」，這個研究室里大致分為三個小組，分別叫做引力理論研究小組與引力波實驗小組，還有一個是粒子物理研究小組。

從政治動機上來說,那時候因為毛澤東的女婿以及陳伯達等人的關係，大家都要批判相對論，但實際上這個批判相對論的政治需要卻給陸啟鏗、郭漢英等人一個學習相對論的機會（也許與另外一個叫吳可的數學家在一起）。

郭漢英是郭沫若的兒子，但他似乎不太喜歡大家在公開場合提及此事，至少筆者曾經在網上提到此事的時候，受到他的間接批評。（但據趙崢教授轉述，郭漢英同時也表揚筆者在少年時代寫的《相對論通俗演義》網路版具有一定的可取之處）

郭漢英在理論物理所與應用數學所的地位比較特殊，據說其能影響到國家的高層領導人，他帶過一些學生，其中有一個博士生就是後來在中國科學院應用數學所做研究員的劉潤球——當然這是後話。

文革結束以後，批判相對論已經不再是政治正確的事情，因為那時候發生了「科學的春天」，周培源等人也非常支持相對論的研究。而國際的相對論學術圈內也發生了一件大事，那就是1979年丘成桐與孫理查證明了廣義相對論的正質量定理。

那時候數學所隔壁的理論物理所把丘成桐請來報告了這一個重要進展。正質量定理一開始被稱為正質量猜想，意思是說，在一個時空中，總的能量一定是正的，這在某種意義上表明時空是穩定的。

數學所的陸啟鏗（華羅庚的學生，當時已經是數學所的老師）也去聽了丘成桐的報告。作為一個應用數學家，陸啟鏗也恢復了對愛因斯坦的廣義相對論的興趣——劉潤球研究員告訴蝌蚪君： 陸啟鏗用旋量分析的方法處理了引力波的數學結構。

在旋量分析的角度來看，引力波可以看成是時空中的外爾曲率的波動，而因為外爾曲率的反對稱性質，總可以寫成很清晰的旋量形式。用旋量分析的方法研究了引力波的運動方程，這種研究方法比1987年出版的penrose與Rindler合著的《旋量與時空》一書中的類似的結果還要早一些。

陸啟鏗在應用數學所用他所熟悉的複變函數論中的「黎曼——希爾伯特」方法研究了愛因斯坦場方程的解。(主要是通過求解恩斯特方程，這是一種非線性的偏微分方程，在穩態軸對稱的情況下等價於愛因斯坦引力場方程)

數學所年輕的王世坤正在跟華羅庚與龔升讀研究生，他也加入了進去，一起研究了這個情況下的愛因斯坦場方程的精確解。

愛因斯坦場方程描述的是物質引起的時空彎曲，而它的精確解卻非常之稀少，原因在於這個方程的高度非線性性質。

在王世坤等人的努力下，他們終於找到了一個精確解，後來被收錄在由劍橋大學出版社出版的「Exact solutions of Einstein』s field equations」一 書中。

王世坤研究員

80年代後期，也許是因為超弦超對稱理論的興起，數學所的廣義相對論研究暫時沉寂了下來。但是，應用數學所做廣義相對論的基本班底已經形成了——主要班底就是由前面提到的諸位老師組成。

據蝌蚪君了解，1994年，劉潤球跟王世坤做完了博士後，進入中國科學院應用數學所工作，這個時候，應用數學所的廣義相對論研究「重新出發」了。劉潤球一開始做了一些「漸近平坦時空結構與相關黑洞理論」的研究工作。

然而在1996年，中國科學院晨興數學中心成立了 ，這是由中國科學院及香港晨興集團共同出資興辦的，這個中心的成立，主要是因為丘成桐先生的支持，在 丘成桐與楊樂等著名數學家的主持下，晨興中心迅速成為國內最新潮的數學研究中心之一。

在晨興數學中心，經常會邀請一些國際一流的數學家來訪問與做學術講座，因此這個中心具有國際化的氣息，也形成學術氣氛濃郁的研究環境。

香港中文大學培養的博士後張曉也差不多同時來到了數學所 ，從事起廣義相對論的研究。1999年，張曉給出了一個廣義相對論角動量的定義，這個定義與坐標選取無關而且沒有奇點。

在這個定義的基礎上，張曉證明把角動量定義包括在內的正質量猜想也成立，他的這個「帶角動量的正質量定理」的文章發表在當年的Communication in Math. Phys.上，這個期刊也是丘成桐和 Witten發表關於正質量猜想文章的權威學術期刊。

2004年，劉潤球在數學所的相對論研究開始有了一定的規模，但是學生還比較少，而北京師範大學作為相對論的傳統名校，當時在梁燦彬與趙崢等人的教學下，培養了一批年輕的相對論學子，其中曹周鍵與龔雪飛就是在北京師範大學的研究生，於是劉潤球與北京師範大學物理系以比較開放的方式交流培養了這些年輕人。

劉潤球告訴蝌蚪君：「2003年，曹周鍵第一次來找我討論，我們談了做數值廣義相對論的事情。」

2004年到2005年，曹周鍵與台灣成功大學的學者合作開始做數值相對論的模擬，簡單得說就是像碼農一樣寫數值廣義相對論的源代碼，而龔雪飛則開始從事一些引力波模擬數據的分析。

劉潤球說：「其實早在1990年代，我們就已經意識到數值廣義相對論的重要性了，但一直找不到人來做。」而曹周鍵與龔雪飛等「北師大學子」的出現實際上彌補了這個需求。曹周鍵做了兩個黑洞碰撞併合發出引力波的數值模擬，並且與來自加州理工學院的潘奕進行了結果的相互標定比對。

據龔雪飛向蝌蚪君回憶，2004年秋天，也許正好是一個教師節，當時還是加州理工學院博士生的陳雁北也訪問了科學院應用數學所，並且做了一個與引力波相關的小組學術報告。劉潤球當時已經意識到，陳雁北在引力波研究領域會非常重要！

劉潤球研究組已經初見規模，但其實研究經費並不十分豐裕，在晨興中心與數學院的支持下勉強維持整個研究小組的日常運轉，但偶爾也會陷入入不敷出的境地。

2007年的10月，天氣已經轉涼。那時候美國宇航局還沒有退出lisa項目，lisa的科學目標是探測空間引力波，因此需要首先發展引力波的數據分析。

一個名叫mldc（mock lisa data challenge ）的挑戰賽當時在全球範圍內徵集研究組參加他們的數據分析挑戰賽（這是我們國家第一次參與空間引力波探測計劃的活動）。

當時劉潤球組的龔雪飛（女）、尚煜以及南京大學的王?一起組團參加了這個挑戰賽。

但因為當時的王?還在上研究生一年級，需要上課，無法來北京，於是龔雪飛與尚煜兩人就來到了南京。

因為研究經費太少，無法承擔長時間住賓館的費用，於是南京大學的彭秋和幫尚煜在南京大學找了一個男生宿舍。而南京的紫金山天文台的倪維斗幫龔雪飛在紫金山天文台找了一個女生宿舍。

龔雪飛：「當時因為沒錢住賓館，我是背著棉被與褥子去的南京，後來住在紫台的女生宿舍，半夜裡老鼠跑來跑去，嚇死我了。」

龔雪飛 劉潤球 張軒中 徐鵬

這次挑戰賽中，中國代表隊取得了不錯的成績，挑戰賽以後，王?與尚煜去了德國的愛因斯坦研究所留學。

順便指出，南京大學的彭秋和在那個階段實際上組織過幾次引力波數據處理相關的暑期學校（2006年在南京、2007年在西華師範大學、2008年在中國科學院晨興數學中心、2009年在雲南），對這一事業在中國的發展有傑出貢獻。

在同一歷史時期，在一次香山會議之後，中國科學院有了空間引力波的預研究項目（太極計劃的先導研究），那是在2008年，劉潤球小組是該預研究項目的成員之一。

中國科學院應用數學所給了10萬塊錢支持了劉潤球小組的研究工作。 2009年，中國科學院空間中心發布了空間引力波探測的路線圖，基本確定了先做重力衛星，再做引力波的兩步走路線圖，劉潤球研究組得到該項目經費的支持，在研究重力衛星的同時研究引力波。

後來，「天體號脈」的項目負責人張雙南也鼓勵劉潤球研究組申請「天體號脈」項目的子課題研究經費；龔雪飛則在應用數學所博士畢業後來到了中國科學院高能物理所黃超光研究組，從事引力波相關的博士後研究，也得到了黃超光研究員的支持。前面已經說過，羅子人考上劉潤球的博士後成為預研究項目的得力幹將。

當時研究組的研究成果，發表在空間引力波探測lisa計劃的會議文集（《經典與量子引力》專刊）上，贏得了國際同行的關注。2年以後，這篇文章基本上成為「太極計劃」的原型。

劉潤球說：「應該說我們研究組非常感謝晨興數學中心與數學院的支持。丘成桐先生與楊樂先生對我們的幫助與支持使得我們堅持到現在還一直在從事引力波的研究工作。」

而據劉潤球研究組的徐鵬博士告訴蝌蚪君，他們研究組所做的工作，簡單地說就是一直在畫探測引力波的「收音機」，現在這個「收音機」已經快畫完了，接下來就要真的去製造這台「收音機」了——這就是太極計劃。

蝌蚪君認為，中國科學院數學院從陸啟鏗、劉潤球等人對引力與引力波的研究實際上是一脈相承的。這些研究「引力波」的應用數學家的故事值得大眾關注。

引力波的中國故事，也許會越來越精彩！

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