其他
引力波有什么魅力？物理诺奖得主巴里·巴里什独家解读 | 科技袁人
关注风云之声
提升思维层次
导读
袁岚峰和诺贝尔奖得主巴里·巴里什对话，解读引力波。
视频链接：
西瓜视频：
https://www.ixigua.com/7025875218023318027
本视频发布于2021年11月2日，观看量已超百万
精彩再现：
袁岚峰：我们的节目经常有我跟著名科学家的对话，最近我参加了《科学家请回答2021》的系列对谈活动，世界顶尖科学家协会与今日头条帮我联系到了一位诺贝尔奖得主巴里·巴里什(Barry C. Barish)，他和另外两位科学家雷纳·韦斯（Rainer Weiss）和基普·索恩（Kip Stephen Thorne），因为探测到引力波获得了2017年的诺贝尔物理学奖，实际上我以前就见过他们。2017年12月18日，中国科学技术大学上海研究院举办了一场“引力波大会”，邀请这三位诺贝尔奖得主演讲，潘建伟作主持人，当时我就在现场，后来把这次经历写成了一篇文章，《听三位诺贝尔奖得主讲引力波》，不过当时我并没有提问，因为我觉得这样的机会最好留给公众，专业的科学家有的是机会交流。果不其然，四年后，在第四届世界顶尖科学家论坛即将召开之际，我要和巴里什教授进行一次深入的对谈。四年来，引力波科学取得了很多新进展，但大多数公众对这个领域仍然感到很神秘。下面，我们就来和巴里什教授连线。
巴里·巴里什：你好，很高兴见到你。
袁岚峰：我能很清晰地听到你说的话，谢谢。
巴里·巴里什：我期待这次谈话。请问你身后巨大的背景图案是什么？那些灯。
袁岚峰：哦，这个背景图案其实是我们的中心。中国科学院成立了一个新机构叫科学传播研究中心。我是该中心的副主任之一。我们认为科学传播非常重要，所以将它作为访谈的背景图案。
巴里·巴里什：不错，科学教育确实很重要，我非常同意这点。
袁岚峰：谢谢，亲爱的巴里什教授，非常高兴再次见到您。之所以说“再次”，是因为在2017年12月举行的上海墨子沙龙的引力波大会上我就听过你们三位的演讲。您对那次大会还有印象吗？
巴里·巴里什：是的，我记得。当时我刚从瑞典来到上海。当我到达上海的时候，我的手提箱和衣服还没有到。所以在你们看到我前，我去百货公司买了一件夹克，正好就是我现在穿的这件。
袁岚峰：看来这确实是一次非常有趣的大会。那次会议之后，我写了一篇科普文章。其中我这样解释引力波：物质的运动都是发生在时空之中的。物质好比演员，时空好比这些演员表演的舞台。普通的波，例如水波、声波、电磁波都是演员在动而舞台不动。引力波却不同，是舞台本身的运动，所以经常被比作“是空的涟漪”。您觉得这个描述怎么样？您会如何向公众介绍引力波？
巴里·巴里什：嗯，我认为这是个很好的图像式描述，抓住了正确的区别，即运动的是舞台而不是演员，但也遗漏了几个非常重要的要点。这个描述忽略了一个事实，当舞台运动时，它运动得非常快，以光速运动。舞台不只是在运动，而且移动得非常非常快，在以光速运动。第二、如果让我描述引力波，我可能也会这么说，但我还必须告诉他们，它是以光速运动的，然后第二点是，任何好奇的人其实都想知道是什么让舞台动运的，对吗？
袁岚峰：是的。
巴里·巴里什：这也应该得到解释，在广义相对论中，舞台的运动是由质量的任何加速度引起的，我们有一个质量而且它在加速，不是以恒定的速度运动，而是加速运动，然后就发出了引力波，所以引力波是由加速的质量产生的，并且以光速运动，然后就像你描述的舞台一样运动。所以我打算加上这两点，加以完善你的描述。
袁岚峰：嗯，是的。所以需要强调的是，并不是所有有质量的物质的运动都能产生引力波，有些运动并没有产生引力波，对吗？
巴里·巴里什：是的，产生引力波需要加速度，加速度。或者说加速度是产生引力波的一般原因，如果运动物体，比如绕地球运动的月球，引力拉着它们产生了加速度，因此，它需要物质不是停留在同一个地方，而是被加速了。
袁岚峰：是的，像这样的运动可以产生引力波，但像这样的就不会产生引力波，对吗？
巴里·巴里什：是的。
袁岚峰：所以实际上几乎所有运动， 我们观察到的大多数运动都会转化为引力波，但大多数运动产生的引力波我们检测不到，因为它们太弱了，是这样吗？
巴里·巴里什：是的，我们通常说引力波产生一种力，所以引力波必然来自于某种运动，它产生这种效应，但我们很幸运，因为舞台形状改变不大，当引力波根据爱因斯坦的著名论述扭曲空间和时间时，因此如果我们想一想为什么苹果会落到地球上，牛顿告诉我们苹果会落到地球上，而且给出了一个方程式，两个物体之间的引力与其质量的乘积成正比，与它们距离的平方成反比，但实际上引力对时空的扭曲非常小，这就意味着当引力波引起空间和时间的扭曲或舞台运动时，扭曲程度不是太大，你可能把它想象成一种诸如钢棒之类的物质，但它不是，它非常坚硬。幸运的是空间刚好像一种非常坚硬的材料，因为否则，按照广义相对论，一切物体都会被扭曲，好在它非常微弱，所以我们作为生活在此的人都很幸运，空间的性质是非常坚硬的。但这也造成了一个问题，即我们很难观测到引力波，所以这有两面性。
袁岚峰：是的。您说的钢棒让我想起了约瑟夫·韦伯，韦伯棒【注释：约瑟夫·韦伯（1919-2000）美国物理学家，提出了用“韦伯棒”探测引力波的方法】，那是最早的探测引力波的设备，他没有探测到引力波，但他认为自己探测到了。
巴里·巴里什：是的，他以为自己发现了引力波，但不幸的是，他是一个非常聪明的人，他确实开创了这个领域，也在技术上有许多聪明的想法，但不幸的是作为科学家我不得不对他有所批判，这是因为科学家最重要的素养之一是持怀疑态度，你必须证明某件事是对的，他想探测到引力波，他想相信它，但不幸的是这使他失去了他本来可能具有的批判态度。
袁岚峰：是的。我想好奇的人还会有一个问题，他们会问：什么在振荡？（引力波）是什么性质在振荡？
巴里·巴里什：引力波就像波，都是上下往复运动的。向上时，它会使空间向一个方向扭曲；向下时，它会使空间向另一个方向扭曲。因此，引力波来回运动，在两个方向上扭曲空间。
袁岚峰：是的。
巴里·巴里什：美国有一种游乐园，你有时去玩，看到他们有一种镜子，当你走近这面镜子时，你会显得高了不少，然后当你走近下一面镜子时，你又会显得胖了不少。
袁岚峰：我们这里也有这种镜子（哈哈镜），是的，一种非常滑稽的镜子。
巴里·巴里什：所以引力波的效果基本就是让你在这两面镜子之间往返运动，你一会变高，一会变矮，来回往复，你来回往复的速度就是引力波的频率，具体取决于引力波的频率。因此，该频率可能是每秒100次，也可能是每秒两次，也可能是每秒一千次。对于不同的产生引力波的物理现象，我们会给出不同的往复速度，这有助于我们理解那些可能是引力波的对象。
袁岚峰：所以当有引力波存在时，你在某个方向被拉伸，但在另一个方向又被压缩，对吧？
巴里·巴里什：是的，对，半个波长后，拉伸和压缩的方向发生的对换，然后如此反复。
袁岚峰：是的。所以一般来说，面积不会改变，对吗？
巴里·巴里什：是的，面积是保持一样的。
袁岚峰：我们是不是应该说是时空的什么性质在变化，是时空的曲率在变化，对吗？
巴里·巴里什：是的，这是因为我描述的一切都像是二维的，但在现实生活中却是四维的，而不是二维的，扭曲是在三维空间和时间中共同出现的。爱因斯坦把空间时间组合在一起构成四维，他创造了一个德语单词，时空spacetime，但在英语中，我们把它写成space-time。当我们在计算机上输入spacetime这个词时，词的下面会显示波浪线，好像你拼错了似的，但其实spacetime是一个正确的单词，表示四维。
袁岚峰：是的，时空表示三维的空间加上一维的时间，它们相互融合在一起，是不可能被分开的。
巴里·巴里什：是的，它们都融合在一起，很难视觉化。
袁岚峰：是的。下一个问题是为普通大众问的，引力波会如何影响我们的未来？例如，有人认为从长远来看，它只会停留在基础研究的层面，不会对我们的现实生活造成多大影响，您怎么看？
巴里·巴里什：这是一个我有强烈感受的问题。我的生活就是做基础物理研究，所以这个问题其实等同于基础研究的价值是什么。我们做这些研究时，并没有问自己它们以后可以被用在哪里。我们做这些研究是为了理解大自然，然而事实证明，理解大自然已经成了一种研制重要设备的绝佳方法，会对社会产生非常重要的影响，而在进行科学研究的时候，你甚至可能都没意识到这一点，所以我们不知道引力波研究会不会有用，并不是全部的基础物理学研究都有用，但我会举一个例子，也是来自爱因斯坦，对我来说这是一个绝佳的例子，来说明基础科学如何可能得到回报。
爱因斯坦在1919年提出了引力波以外的其他东西，被他称为自发辐射【注释：激光的原理其实是受激辐射，而不是自发辐射，巴里什在这里和下面说的自发辐射都应该理解为受激辐射】，它是激光的基础，这是一种核物理效应，是另一种效应。我们做的关于它的实验，为了证明它是一个真实的效应，在20世纪50年代后期被重新做了。当时我在美国伯克利读书时，它演示了自发辐射，自发辐射产生的一种效应，就像连锁反应。如果你激发了一个，就会激发另一个，它们是关联的。当时人们根本没想到，它会有应用。大约10年后，实际上是60年代末，人们开始认识到你可以制造一个装置，产生高度集中的光束，由于这种关联特性，正如你刚才说的，你已经猜到了，这就是激光。所以激光是在一个基本研究的发现之后出现的。激光这个词我不知道你是否知道它是什么的首字母缩写，激光（LASER）的意思是受激辐射光放大【注释：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation】，所以受激辐射这个词是在激光这个词的字母中出现的，这就是激光这个词的来源。现在，对于喜欢经济学的人来说，这个行业一年大约有300亿美元，但激光的来源甚至是他们所不了解的。当这个来自基础物理学的东西被制造出来时，人们根本想不到它会有任何用途。
我还要再提一个例子，也是为了显示这不是完全的偶然。我还要提出第二个例子是我在职业生涯中研究的另一个效应，叫做核磁共振 NMR。磁共振理论上是在世界第二次大战不久后，由珀塞尔在马萨诸塞州剑桥市发现的。后续研究以不同的方式研究其不同的变体，20多年后，人们意识到通过核磁共振的原理可以制造一种医学成像设备，这种成像设备在美国被叫作核磁共振成像（MRI）。磁共振成像是当今医学中最精确的成像设备，之所以叫磁共振成像是因为人们不喜欢核这个词。
袁岚峰：对，对，人们害怕核这个词。
巴里·巴里什：是的，但事实上这是精确的成像，是我们最好的成像设备。激光和核磁共振这两者源自研究者因纯粹的好奇而开展的实验，就像引力波一样，并不是我们在基础物理中学到的所有东西都必然会有应用。但我给出的并不是仅有的两个例子，如果你做基础研究而不是仅仅试图应用它们，你现在就应该知道它很可能会得到回报，不止是每个实验和发现，但仅仅推动人类知识进步，这本身就会提供给我们意想不到的全新的方法来做事。当然激光和核磁共振这两个例子极好地证明了，现代物理学能够回报社会。
背景简介：袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，中国科学技术大学科技传播系副主任，中国科学院科学传播研究中心副主任，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，中国科普作家协会理事，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。 责任编辑：孙远