張雙南：引力波其實不該叫「引力波」

「引力波」是一個熱詞。或許，你也被刷屏過。百年前，愛因斯坦預言引力波，百年後，科學家發展高精度的探測技術，而在最近的兩年間，更是連續數次「聽到」且「看到」引力波的存在。

引力波的熱度正在消逝，然而，你理解它了嗎？用通俗直白的話說，到底什麼是引力波？有何革新？是它的引力大，還是手機的引力大？

這些問題，是專業的、科普的，也是有趣。你期待著怎樣的回答？

現在，讓我們往下滑看看嘉賓張雙南的觀點。他是天體物理學家，現為中國科學院高能物理研究所研究員，研究領域包括黑洞和中子星天體物理、相對論天體物理、伽瑪射線暴和宇宙學等。在《自然》《科學》等雜誌上共發表論文兩百餘篇。

張雙南認為，簡答地說引力波「就是彎曲的空間的運動，因此把引力波稱為『空間波』更加合適，類似於『聲波』或者『電磁波』。」而至於引力波與手機的吸引力誰更大，跟著書評君繼續讀下去看一位天體物理學家的回答，途中你會遇到黑洞、聲波、宇宙運行與人類命運，以及中國傳統是否具有科學精神等話題。

引力波的實質與特徵

「人類從此耳聰目明了！」

Q

提問（米興昌）：引力波的實質到底是什麼？發現它將對天文物理引起什麼樣的革命和新見？

張雙南

引力波是廣義相對論的一個重要預言。根據廣義相對論，引力或者引力場的本質就是質量引起的時空的扭曲，簡單的說引力就是空間的彎曲。

而引力波的本質就是彎曲的時空隨時間的變化，簡單地說就是彎曲的空間的運動，因此把引力波稱為「空間波」更加合適，類似於「聲波」或者「電磁波」，只不過「聲波」或者「電磁波」都需要在空間中傳播，而引力波則是空間本身的傳播。

在發現引力波之前，天文學家面對宇宙只能用望遠鏡「看」，實際上是聾子！而發現引力波之後，天文學家面對宇宙就可以「聽」了，開始可以聆聽宇宙的聲音。面對浩渺的宇宙，人類從此耳聰目明了！

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？廣義相對論理論是最好的引力理論嗎？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」內部到底主要是由中子還是夸克組成的這個中子星研究的終極問題！通過探測宇宙大爆炸產生的原初引力波，人類將能夠檢驗關於大爆炸的各種理論模型，進一步理解我們的宇宙的起源。

Q

提問（關中）：引力波與電磁波或者光波有什麼區別？引力波會衰減嗎?地球能接收到引力波，也就被其影響或干擾，那麼我們應處在一個更大的引力場作用之內，這個引力場的引力波又在哪裡呢？

張雙南

電磁波是電磁場的震蕩的傳播，比如一個加速運動的電荷就會產生電磁波。電磁波也是我們最熟悉的兩種波動之一，光就是電磁波，電磁波的傳播不需要介質，也就是在真空中就可以傳播，這就是我們能夠看到宇宙遠處的天體的原因。

當然，電磁波也可以在介質中傳播，在不同的介質中不同頻率或者波長的光的傳播的速度不一樣，這就是所謂的色散效應，我們能夠看到美麗的彩虹就是這個原因。另外一種我們最熟悉的波動就是聲音，聲音就是物質的振動的傳播，所以是機械波，機械波的傳播需要介質，在不同的介質中聲音傳播的速度也是不一樣的。但是在真空中聲音不能傳播，這就是為什麼太空中出艙的宇航員就是面對面可以對視用眼光交流，要想說話就必須通過無線電對話。

如我在回答第一個問題的時候解釋的，引力波則是完全不同的一種波。引力波的傳播不需要介質傳遞，換句話說，引力波就是空間的漣漪，所以宇宙中所有的物質和能量都能夠感受到引力波，也因此引力波會衰減，只不過引力波和其他物質作用的效應極其微弱，比如目前發現的引力波引起的物質的振動幅度只有一個原子核（比如一個質子）的千分之一，這就是為什麼這個一千多人的團隊用了幾十年的時間、花了美國科學基金會歷史上最大的一筆研究經費、最後建造了一台有史以來最精密的距離變化測量儀器，才最終發現了引力波。

因此引力波對地球的影響完全可以忽略，地球就只會感受到太陽、月亮以及太陽系內其他行星的引力的影響。

Q

提問（張農樵）：為什麼黑洞合併時僅放出引力波，而中子星合併時既有引力波又有電磁波？

張雙南

這是一個非常好的問題！首先，任何兩個天體相互繞轉的過程中都會產生引力波，比如地球繞太陽運動就會產生引力波，只不過不同天體的繞轉產生的引力波的強度有所不同。

由於黑洞和中子星的體積都很小，比如具有太陽質量的中子星的半徑只有幾公里，而具有同樣質量的黑洞的半徑（也就是史瓦西半徑）更小，因此它們可以靠得很近，而且繞轉的周期很短，這樣產生的引力波就很強，這就是為什麼目前探測到的引力波都是來自於黑洞或者中子星的繞轉。由於它們可以離的很近，最後還必須併合在一起，這個時候產生的引力波就更強了。

但是，由於黑洞貪吃，任何到黑洞附近的物質最後都只能一去不回頭地落入黑洞，所以在兩個黑洞離得比較近而能夠產生足夠強的引力波的時候，黑洞周圍的物質就已經被黑洞吃光了，而黑洞內部的物質無論怎麼折騰都不可能出來，沒有物質在黑洞外面當然就不能產生電磁波輻射，所以兩個黑洞最後就只能產生引力波了。

但是中子星本身就是物質，它們在最後階段會產生劇烈的碰撞，兩個中子星會同歸於盡，在這個過程中不但產生強烈的引力波，而且很多物質就按照愛因斯坦的質能公式轉換成為電磁波輻射出來了。

引力波、科學、手機與外星人

「中國傳統文化裡面沒有科學元素」

Q

提問（劉磊）：是引力波的吸引力更大，還是手機的吸引力更大？

張雙南

很有趣的問題！對於很多科學家來講，當然是引力波的吸引力更大，否則為什麼全球上千個科學家會用幾十年的時間建立探測引力波的裝置呢？當然工作之餘，科學家也是喜歡玩手機的，沒有智能手機，今天的生活無法想像。而我的很多工作都是在手機上完成的，比如旅途中處理電子郵件以及在微信群和同事們討論工作。手機給我們的生活帶來了很多方便和樂趣，也提高了我們工作的效率。

但是對於大部分公眾來講，畢竟引力波本身和我們的生活有很大的距離，我覺得還是智能手機吸引力更大。

對於今天的大部分人，不知道引力波也無所謂，但是不會用智能手機可就麻煩了，至少是無法享受我天天騎的共享單車的方便吧。儘管如此，還是有很多人想了解引力波以及引力波研究和探測背後的精彩故事，比如我就經常被邀請講引力波，而且每次引力波的重大進展都會導致全球數億手機被刷屏，這時候，引力波和手機的吸引力就是一樣大了。

Q

提問（科哲小北）：張教授您好！上次您就陰陽五行與孫小淳教授展開的「孫張之辯」可謂經典。您談到「杞人憂天」是一個天體物理學的問題，並對傳統文化極其精髓提出了尖銳批評。但您那次對「杞人憂天」的解讀可能粗略，並且扭曲了《列子》本意。現在我的問題是能否用引力波來為「杞人」談談「天崩地裂」；《列子》對「杞人憂天」的三種解答是不是與物理學存在兼容；能否再談談傳統文化與科學的關係問題。謝謝！

張雙南

謝謝您給我這個機會進一步探討這個重要問題！

這是我在百度百科上找到的對《杞人憂天》的解讀：「《杞人憂天》是一則寓言，出自《列子·天瑞篇》。文章通過杞人憂天的故事，嘲笑了那種整天懷著毫無必要的擔心和無窮無盡的憂愁，既自擾又擾人的庸人，告訴人們不要毫無根據地憂慮和擔心。「很顯然，這代表了兩千多年來中國社會用四個字的時候表達的主要意思，無論《列子》當時的原意如何。而這正是我用這個例子批評中國傳統文化裡面沒有科學元素的原因。

如果要講科學，那麼《列子》裡面對這個「杞人「憂天的勸解和現代物理學沒有一毛錢的關係。事實上，企圖用古代的傳統思想牽強附會、自圓其說地解釋自然，聲稱符合現代科學，這是現代很多中國人解讀中國傳統文化的做法。借用清華大學魯白教授的話，這就是用放大鏡和顯微鏡在故紙堆里「找科學」，這是不可能成功的，因為科學不是起源於中國，現代科學的任何成就都和中國傳統文化沒有任何關係。雖然中國歷史上也曾經有過零星的科學實驗，比如墨子的光學實驗等等，但是這些偶爾的「靈光乍現」並沒有對科學的發展產生過任何影響。

Q

提問（王先生）：請問張教授：宇宙之大，浩瀚無邊。您做為天體物理學家，是否相信有外星生物存在？是否相信有智慧生命存在？信或者不信，請從您專業角度闡明。謝謝您！

張雙南

我相信地球以外真的存在外星生物，甚至存在外星人。我們知道，宇宙中其它的地方存在很多類似我們太陽系這樣的恆星-行星系統，有些行星甚至很類似地球，銀河系內就發現了很多這樣的行星。

如果地球上的生命和人是進化來的，那麼沒有什麼理由在其它星球上不能進化出生命、甚至智慧和文明生命。而且生命也可能在其它環境下進化產生出來。因此我相信宇宙中一定有很多星球上有外星生物甚至外星人，儘管他們的樣子以及文明程度可能和我們不同。

當然，目前我們還沒有發現外星人存在的證據，既沒有發現他們到訪過地球，也沒有發現其它地方有外星人，更沒有接收到過來自外星人的信號（或者收到了但是沒有識別出來）。但是沒有找到不等於不存在，畢竟我們只搜尋了宇宙中很小的部分，所以天文學家還是努力尋找中。我相信，在今後的幾十年內天文學家至少能夠找到外星生物，至於什麼時候以及能否找到外星人，我就沒有那麼有信心做預言了。