去年9月，Frontiers for Young Minds期刊網(wǎng)站（以下簡稱“FYM”）上線了五位諾貝爾獎得主專門為青少年撰寫的科學(xué)文章合集，《賽先生》獲FYM官方授權(quán)第一時間發(fā)布了中文翻譯版本。今年11月，F(xiàn)YM諾貝爾獎合集系列迎來更新，再次收錄5篇由諾獎得主為全球的好奇大腦撰寫的最新文章。《賽先生》獲FYM獨家授權(quán)，將陸續(xù)翻譯這五篇文章，分享給中文讀者。和所有在 Frontiers for Young Minds 發(fā)表的文章一樣，諾貝爾獎合集的作者們同樣需要用孩子的語言對文章進(jìn)行改寫，隨后由 8-15 歲的青少年審稿人出具審稿報告，通過后文章才可以發(fā)表，以確保文章易于理解并有趣。
諾貝爾獎得主合集系列將持續(xù)更新，旨在發(fā)展這一寶貴的教育資源，以激勵年輕人，同時鼓勵分析性思維和想象力的建立。
作者
Barry Barish（美國加州理工學(xué)院LIGO實驗室物理學(xué)教授，2017年諾貝爾物理學(xué)獎得主）瞿立建
余其身
想象一下，你可以選擇一雙新的眼睛，幫助你看到以前從不能看到的東西。也許你會選擇超人的X射線視覺，或者你更愿意將微小的事物放大，看到微觀世界的奇妙?？茖W(xué)界最近獲得了一雙新的眼睛—— 一種觀察宇宙奧秘的新方法——引力波，即由引力本身產(chǎn)生的波。本文將帶你認(rèn)識引力波。首先，我們將解釋一下引力——從牛頓的經(jīng)典觀點到愛因斯坦的現(xiàn)代觀點，后者也是更復(fù)雜的觀點。然后我將解釋大質(zhì)量天體的運動如何產(chǎn)生引力波，也就是空間和時間的漣漪，以及它們可能如何被用來解釋宇宙的一些奧秘，甚至幫助我們了解地球的起源。
1687年，偉大的英國數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家艾薩克·牛頓爵士出版了他的名著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》[1]，簡稱《原理》。他在書中提出了他的引力理論——科學(xué)中的第一個"宇宙"理論。牛頓理論證明，兩個物體之間的引力與它們的質(zhì)量的乘積成正比，與它們之間的距離的平方成反比。這聽起來很復(fù)雜，但它意味著物體的質(zhì)量越大，彼此越近，它們對彼此的引力作用就越強(qiáng)。雖然這是真的，但事實證明，牛頓的美妙理論存在著一些局限。
首先，你有沒有想過，為什么當(dāng)蘋果從樹上掉落時，它是往下而不是往上？當(dāng)你跳躍時，為什么你最終會落回地球，而不是繼續(xù)往上飛？牛頓的理論實際上并沒有回答這些簡單的問題。它只告訴了我們，兩個物體之間相互施加的引力大小，比如蘋果和地球之間或你和地球之間的引力。該理論沒有考慮物體之間的力的方向（朝向?qū)Ψ交蜻h(yuǎn)離對方），也沒有解釋引力到底是從哪里來的（圖1）。
圖1 牛頓成功的引力理論具有不少局限。(A) 你有沒有想過，為什么當(dāng)你跳起來之后會落回地球，而不是飛向天空？是什么吸引你回到地球？牛頓理論無法回答這個問題。(B) 當(dāng)一個蘋果從樹上掉下來時，觀察者需要時間才能知道這個事情的發(fā)生，因為信息是以光速傳播的。牛頓理論假設(shè)了觀察者在蘋果落下的同一時刻看到它瞬間落下。這兩個局限都被愛因斯坦的引力理論解決了。
牛頓理論的第二個困難有點難以把握。想象一下，太陽突然消失了。如果它現(xiàn)在消失，我們需要8分鐘后才能看到它已經(jīng)不在那里了，因為光從太陽到達(dá)我們這里需要8分鐘的時間。宇宙中發(fā)生的其他任何事情也是如此，信息從事件（發(fā)生的地方）傳輸?shù)接^察者（所在的地方）需要時間。因此，當(dāng)一個蘋果從樹上掉下來時，應(yīng)該過了一些時間（即使只是一秒鐘的極小一部分）之后，觀察者才能知道發(fā)生了什么事（圖1）。牛頓理論沒有考慮這個時間間隔，因此根據(jù)他的理論，觀察者就是在蘋果掉落的那一時刻看到這一事實的。我們知道，現(xiàn)實并非如此；因此，我們可以認(rèn)為牛頓理論中缺了些什么。我們?nèi)绾尾拍芙鉀Q牛頓理論存在的這兩個難題呢？幸運的是，在牛頓時代200多年之后，可愛的物理學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦提出了一個解決方案。1915年，愛因斯坦發(fā)表了關(guān)于引力的一個新理論，稱為廣義相對論[2]。愛因斯坦理論以一種完全不同的方式看待引力，并幫助我們理解牛頓理論無法解釋的事情。這并不表示牛頓理論是錯誤的或是沒用的——只意味著它是不完備的，而新理論幫助我們以更深刻的方式理解這個世界。愛因斯坦理論說，在任何大質(zhì)量物體周圍，空間和時間都被影響，變得扭曲或者彎曲，這產(chǎn)生了朝向該物體的拉力。有一個簡單的方法來理解愛因斯坦的引力思想。想象把一個小彈珠放在一個平坦的蹦床邊上。這個彈珠保持靜止不動（圖2A）。然而，如果你在蹦床的中間放一個大保齡球，它就會使蹦床卷曲，小彈珠就會向蹦床的中間滑去（圖2B）。這個重保齡球的存在以這樣一種方式扭曲了蹦床所在的空間：使小彈珠朝向保齡球運動，就像被它吸引一樣。這基本上就是愛因斯坦的廣義相對論所說的事情。任何質(zhì)量的存在都扭曲了它周圍的空間，在兩個有質(zhì)量的物體之間產(chǎn)生了吸引。這幅引力圖景回答了牛頓無法回答的問題：引力為何（以及如何）產(chǎn)生吸引力，以及為什么你跳起來之后會向地球墜落？第二個問題與時間有關(guān)，也被愛因斯坦解決了，因為他的理論計入了光速。在下一節(jié)，我們將看到一個有趣而重要的現(xiàn)象，即引力波，這是被愛因斯坦的引力理論所預(yù)測的。
圖2 根據(jù)愛因斯坦的引力理論。(A) 當(dāng)你把一個彈珠放在一個平坦的蹦床上，它保持在原地。這代表了沒有大質(zhì)量物體存在時的空間狀況。(B) 當(dāng)你把一個重的保齡球放在這個蹦床的中間，蹦床變成卷曲的。如果你現(xiàn)在把彈珠放在蹦床上，它將向中心運動。這代表了愛因斯坦模型中的引力，一個大質(zhì)量的物體（如恒星）卷曲了空間和時間，因此吸引其他物體（如蘋果，或你自己）。
愛因斯坦的廣義相對論的預(yù)言之一是，引力應(yīng)該具有波動性——引力波[3, 4]。思考引力波的一個簡單方式是，想象自己在一個靜止的池塘邊……然后你往池塘里扔一塊石頭。這塊石頭濺起了水花，然后掉到了池塘的底部。雖然石頭現(xiàn)在靜止在池塘底部，但你仍然可以看到它對水面產(chǎn)生的影響，即水波從中心向外運動（圖3A）。這也是直觀理解引力波的方法，只是形成引力波的不是那塊落入池塘的石頭，而是空間中大質(zhì)量天體的運動或碰撞（圖3B）。
圖3 引力波。(A) 當(dāng)你把一塊石頭扔進(jìn)一個平靜的池塘?xí)r，你可以看到漣漪（波動）在橫穿水面運動，即使當(dāng)石頭已經(jīng)靜止在池塘底部時還能看到。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，這與大質(zhì)量天體碰撞時形成引力波的方式相似。(B) 兩個大質(zhì)量天體相互碰撞就產(chǎn)生了引力波。即使在碰撞已經(jīng)發(fā)生后，引力波仍繼續(xù)行進(jìn)穿過空間。在愛因斯坦預(yù)言了引力波的存在之后，實驗物理學(xué)家們就開始嘗試探測它們，我自己為開發(fā)探測引力波的方法已經(jīng)投入了20多年的時間——并且還將繼續(xù)。事實上，面對引力波，我們同時擁有一個“不幸”和一個“幸運”。不幸的是，我們目前無法在實驗室里制造引力波，因為對于我們現(xiàn)有的探測技術(shù)而言，我們所能制造的引力波太微弱了。這是個不幸，因為好的實驗是那些讓我們理解全部發(fā)生細(xì)節(jié)的實驗，而這些細(xì)節(jié)在實驗室中更容易實現(xiàn)。另一方面，我們又被賜予了一個幸運——自然界本身創(chuàng)造的引力波，比我們在實驗室里制造的任何可能的引力波都強(qiáng)烈得多。這意味著一些產(chǎn)生引力波的天文事件——其中兩個我將在下面提到——有可能被我們目前最先進(jìn)的探測器探測到。盡管這些事件必須是宇宙中最劇烈和最高能的天文事件，只有這樣我們才可能探測到它們，但它們發(fā)生的頻次仍然很高，足夠我們研究。宇宙中最劇烈的事件是大質(zhì)量天體的爆炸和碰撞。我們探測引力波的一個可能極好的波源是超新星爆發(fā)。當(dāng)一個大質(zhì)量恒星衰老并急劇向內(nèi)坍縮時就發(fā)生超新星爆發(fā)。這種坍縮使得溫度和壓力急劇提高，能夠加強(qiáng)核聚變，也就是原子中的輕核組合成為重核并釋放能量。這可以觸發(fā)所謂的 "失控的核聚變 “[注1]，從而導(dǎo)致恒星以巨大的能量爆炸，根據(jù)愛因斯坦理論，這會產(chǎn)生強(qiáng)烈的引力波。對于太空中的猛烈碰撞，其中最高能的發(fā)生在諸如黑洞和中子星的大質(zhì)量天體之間。黑洞是宇宙中已知的質(zhì)量最大的天體，它們所具有的引力吸引強(qiáng)大到可以 "吞噬 “任何靠近它們的東西，甚至恒星。沒有什么能從黑洞內(nèi)部逃脫，甚至連光也不能，這也是其名字的由來。中子星是坍縮后的超巨星的殘骸，密度極高，主要由中子這種中性亞原子粒子組成。2015年，人們首次探測到了引力波[5]。僅僅兩年后，即2017年，我和我的兩位同事，萊納-魏斯和基普-索恩，因這一發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。通常情況下，科學(xué)家們做出杰出的研究工作后，至少需要等待20年才能獲得諾貝爾獎，但引力波的發(fā)現(xiàn)具有特殊的重要性，原因我將在下面解釋。探測到來自兩個黑洞碰撞的第一批引力波之后，我們后來又探測到了其他產(chǎn)生引力波的碰撞—— 一次是在2017年，探測到的是兩個中子星之間的碰撞 [6]，另一次是2020年，探測到的是一個黑洞和一個中子星之間的碰撞 [7]。當(dāng)我們測量引力波時，我們實際上是在測量它們在空間和時間中產(chǎn)生的扭曲（漣漪）。當(dāng)這些扭曲到達(dá)我們的探測器時，它們小得令人難以置信，比一個質(zhì)子的大小還要小得多。為了測量如此小的信號，我們的探測器必須具有比質(zhì)子大小的1/1000更高的精度！你可以想象，這是一個極其難以達(dá)到的目標(biāo)。它需要使用一種非常特殊的技術(shù)，即干涉術(shù)。我不在這里詳細(xì)描述它，簡單地說，干涉術(shù)利用激光束之間的相互作用推斷非常微小的空間收縮和膨脹[注2]。為了進(jìn)行如此靈敏的測量，我們需要將儀器設(shè)備與周圍隔離開來，以便沒有任何東西可以干擾我們的測量——即使是一個微小的運動也會淹沒我們正在尋找的信號。一個干擾源是地球本身的運動，它自轉(zhuǎn)的時候會搖晃（這種搖晃太輕微，人類感覺不到，但敏感的儀器卻能探測到）。這意味著我們需要將我們的測量儀器漂浮起來，讓它不會接收到地球的運動。
建造測量引力波的儀器一直以來都是極具挑戰(zhàn)性的。我們使用的儀器叫做LIGO，它是激光干涉儀引力波天文臺的首字母縮寫。LIGO有幾公里長（圖4）。建造和運營它的費用超過10億美元。我的大部分工作仍然涉及開發(fā)相關(guān)技術(shù)，提高引力波探測的靈敏度，排除一些外界的破壞我們測量的運動。許多人問我，在同一個問題上工作了20多年，是不是很令人沮喪。我的回答是，絕非如此！我在解決這個問題的路上獲得了很多樂趣，再說，能夠做一些前人沒有做過的事情，是一種莫大的榮幸。
圖4 LIGO引力波探測器（美國路易斯安那州利文斯頓）。兩個引力波探測器之一的鳥瞰圖，該探測器在2015年史上首次探測到了引力波。每個LIGO探測器由兩條臂組成，每條臂長4公里（2.5英里），由兩個1.2米寬的鋼制真空管排列成 "L"形，并被3米寬、3.7米高的混凝土罩覆蓋，保護(hù)真空管不受環(huán)境影響。LIGO可以探測到來自任何方向的引力波，甚至是從下方來的引力波（圖源：加州理工學(xué)院/LIGO實驗室）。
那么，引力波對于我們嘗試了解宇宙有何重要性？首先，引力波幫助我們驗證了愛因斯坦的廣義相對論確實是正確的。盡管愛因斯坦的理論看似成立且非常準(zhǔn)確，但它并不是預(yù)測引力波的唯一理論。為了證實愛因斯坦的理論是正確的，并能夠解釋引力是什么以及它如何發(fā)揮作用，我們需要所探測到的引力波的測量細(xì)節(jié)。其次，引力波可以幫助我們了解宇宙的新事物。你可以把它看作是天文學(xué)的一個新時代，就像400年前著名的天文學(xué)家伽利略·伽利萊用望遠(yuǎn)鏡觀察天空開創(chuàng)的那個時代一樣。我們可以利用引力波觀察宇宙，這是前所未有的新方式——利用"引力望遠(yuǎn)鏡"。研究引力波可以幫助我們更好地了解災(zāi)難性（指非常劇烈）的天文事件是如何發(fā)生的，例如黑洞和中子星之間的碰撞。這些信息可以讓我們對于宇宙形成早期階段所發(fā)生的事件形成新的見解，也可以幫助我們找到關(guān)于我們自己星球的有趣的問題的答案，如金和鉑等重元素是如何到達(dá)地球的[注3]。 然而，我們的引力波技術(shù)還不夠高超，所以我們通常將從引力測量所得到的信息與從望遠(yuǎn)鏡中得到的數(shù)據(jù)相結(jié)合。這使得我們能夠建立宇宙事件的圖景，這遠(yuǎn)超沒有引力波時我們的理解。未來，隨著我們能夠更好地探測引力波，我們希望只用引力波就能“看”到宇宙現(xiàn)象。這是宇宙學(xué)中非常激動人心的時代，因為我們探測引力波的能力為宇宙學(xué)事件打開了一扇新的窗口，這將幫助我們更好地理解我們的宇宙。
我在生活中學(xué)到了很多，其中一點是，人生中重要的事，是關(guān)注你們的夢想并努力實現(xiàn)它們。你們對未來的夢想告訴你們，你們在生活中想要什么——不管是成為一名物理學(xué)家還是藝術(shù)家，或者只是做一些自己喜歡的事情，比如旅行或追求你的愛好。你不一定要實現(xiàn)你的夢想所期望的一切，但你的夢想正在告訴一些關(guān)于你應(yīng)該走哪條路的事情。我學(xué)到的另一個要點是，我在生活中所做的一切都由一個詞驅(qū)動：好奇心。年輕人是天生地非常好奇的，你們應(yīng)該珍惜你們的好奇心，不要讓任何事情削弱它——不管是你的老師，還是你的父母，或者其他任何人。因此，我的建議是跟隨你的好奇心，享受樂趣，追尋你的夢想，并忽略一切可能限制你熱情的東西。對于你們當(dāng)中對科學(xué)感興趣的人來說，科學(xué)可以有很多樂趣。生命中沒有比做自己喜歡的好事、同時享受樂趣還能掙錢養(yǎng)家更好的事情了。因此，對我來說，科學(xué)可真是一個好職業(yè)。但是你必須記住，失敗是科學(xué)的一部分，接受并非你所做的一切事情都會成功這個現(xiàn)實.....而失敗也可能是好事。當(dāng)你站在科學(xué)的最前沿，做一些以前從未有人做過的事情時，有時會感到很沮喪。每一天，你都會處于這樣一種情況：你沒有把握是否會取得進(jìn)展，或者甚至可能有新發(fā)現(xiàn)，或者你是否正在做一些白費力氣的事情。對于像我這樣的人來說，這種未知性就是做科學(xué)的樂趣!
GRAVITY 引力
GRAVITATIONAL WAVES 引力波
大質(zhì)量天體的運動對空間和時間造成的擾動，以光速擴(kuò)展。SUPERNOVA 超新星
當(dāng)一個大質(zhì)量恒星衰老后，它會耗盡燃料，冷卻，向內(nèi)坍縮。這會產(chǎn)生巨大的能量，引發(fā)導(dǎo)致大爆炸的核聚變。NUCLEAR FUSION 核聚變
原子核熔融形成更重原子核的反應(yīng)，它向周圍環(huán)境釋放出大量能量。太陽的光和熱就來自于核聚變。BLACK HOLES 黑洞
黑洞是宇宙中已知的質(zhì)量最大的天體，其引力如此強(qiáng)大，以致于任何東西甚至光都不能逃逸。NEUTRON STARS 中子星
超巨星耗盡燃料時坍縮后的殘骸。中子星的典型直徑僅10公里，極端致密。PROTON 質(zhì)子
原子核中一種帶正電的粒子。質(zhì)子比人類頭發(fā)絲的10億分之一還小。INTERFEROMETRY 干涉術(shù)
一種利用激光束探測極小現(xiàn)象的測量技術(shù)，比如探測本文介紹的引力波。
注1:了解“失控的核聚變”，可參考https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_runaway注2:了解干涉儀以及它如何被用于探測引力波，可參考 https://kids.kiddle.co/Interferometer；更深入了解對引力波的探索，可參考 https://www.amazon.com/Gravitational-Waves-Einsteins-spacetime-universe/dp/1785783203；關(guān)于廣義相對論和引力波的進(jìn)階書籍，可參考 https://books.google.co.il/books?hl=en&lr=&id=t6_AXrEnVZYC&oi=fnd&pg=PP1&dq=gravitational+waves&ots=GEru24uiYE&sig=fEzjIqTuWKPypM1dBloLnu4SCkA&redir_esc=y#v=onepage&q=gravitational%20waves&f=false注3：我們知道，重元素是通過恒星中的核聚變反應(yīng)而由輕元素產(chǎn)生的。但是，當(dāng)我們研究恒星的生命周期時，我們看到以這種方式產(chǎn)生的最重的元素是鐵（原子序數(shù)為26）。在恒星燃燒并用完了他們所有的鐵元素之后，它們就會坍縮，不再繼續(xù)產(chǎn)生更重的元素。因此，應(yīng)該存在另一種機(jī)制來創(chuàng)造更重的元素。目前，最廣被接受的猜測是，更重的元素是在中子星的碰撞中產(chǎn)生的，而中子星碰撞可以用通過引力波探測到的（更多信息，見麻省理工學(xué)院新聞的這篇文章）。我們希望在未來幾年里，利用LIGO和Virgo探測器收集到足夠的數(shù)據(jù)，以更高的確定性驗證這一假說。
[1]Newton, I. 1687. “Principia,” in The Principia: The Authoritative Translation and Guide, eds I. B. Cohen, and A. Whiteman (University of CaliforniaPress). doi: 10.1525/9780520964815[2]Einstein, A. 1915. Erklarung der Perihelionbewegung der merkur aus der allgemeinen relativitatstheorie. Sitzungsber. Preuss. Akad. Wiss. 47:831–9.[3]Einstein, A., and Rosen, N. 1937. On gravitational waves. J. Frank. Inst. 223:43–54. doi: 10.1016/S0016-0032(37)90583-0[4]Barish, B. C., and Weiss, R. 1999. LIGO and the detection of gravitational waves. Phys. Today 52:44–50. doi: 10.1063/1.882861 [5]Abbott, B. P., Abbott, R., Abbott, T. D., Abernathy, M. R., Acernese, F., Ackley, K., et al. 2016. Observation of gravitational waves from a binary black hole merger. Phys. Rev. Lett. 116:061102. doi: 10.1103/PhysRevLett.116.061102[6]Abbott, B. P., Abbott, R., Abbott, T. D., Abernathy, M. R., Acernese, F., Ackley, K., et al. 2017. GW170817: Observation of gravitational waves from a binary neutron star inspiral. Phys. Rev. Lett. 119:161101. doi: 10.1103/PhysRevLett.119.161101[7]Abbott, R., Abbott, T. D., Abraham, S., Acernese, F., Ackley, K., Adams, A., et al. 2021. Observation of gravitational waves from two neutron star–black hole coalescences. Astrophys. J. Lett. 915:L5. doi: 10.3847/2041-8213/ac082e
致謝：
感謝Noa Segev的采訪并在此基礎(chǔ)上合作了本文。
巴里·巴里斯（Barry Barish）教授是位于美國加州理工學(xué)院的LIGO實驗室的物理學(xué)教授。
巴里斯教授在加州大學(xué)伯克利分校獲得學(xué)士和博士學(xué)位（1962）。1963年，巴里斯教授加入加州理工從事粒子物理學(xué)。隨后的30多年里，他在多個粒子加速器實驗室工作，包括斯坦福大學(xué)SLAC加速器，康奈爾大學(xué)CESR加速器。1994年，他加入加州理工的LIGO（激光干涉儀引力波天文臺）計劃，從事引力波探測。
巴里斯教授獲得過諸多物理學(xué)專業(yè)學(xué)術(shù)獎項，包括Klopsteg紀(jì)念獎（2002），恩里科·費米獎（2016），Henry Draper獎?wù)拢?017），和諾貝爾物理學(xué)獎（2017）。巴里斯教授目前仍在繼續(xù)為了更高的引力波探測分辨率而改進(jìn)LIGO和Virgo探測器。
巴里·巴里斯的夫人是Samoan。他們有兩個孩子，Stephanie和Kenneth，還有三個外孫，Milo，Thea，和Ariel。
Email：barish@caltech.edu
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Frontiers for Young Minds 創(chuàng)刊于2013年，是瑞士Frontiers出版社專為孩子們創(chuàng)辦的科學(xué)期刊，也是Frontiers花費多年心血培育的純公益項目。
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Frontiers for Young Minds的1,000多篇文章已獲得2,700多萬次瀏覽和下載，擁有英語、希伯來語和阿拉伯語三個版本。期刊編輯委員會目前由來自64多個國家的科學(xué)家和研究人員組成。
Frontiers for Young Minds 的內(nèi)容包含了天文學(xué)和物理、生物多樣性、化學(xué)和材料、地球及其資源、人類健康、數(shù)學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和心理學(xué)——以及即將推出的工程和技術(shù)相關(guān)學(xué)科。雖然期刊的讀者是青少年，但 Frontiers for Young Minds 中發(fā)表的所有研究都基于堅實的循證科學(xué)研究。
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